Исходные данные для проектирования
![]()
|
Введение Известно, что наибольшее распространение в трансформатостроении получили силовые трансформаторы со стержневыми магнитопроводами, как наиболее простые и удобные в конструктивном отношении по сравнению с трансформаторами броневого типа. Трансформаторы броневого типа в России в основном используются в маломощных радиотехнических установках. Трансформатор со стержневым магнитопроводом обладает лучшими условиями охлаждения обмоток и сердечника, доступностью осмотра обмоток при ревизии трансформатора, простотой сборки и ремонта сердечника и т.д. [1]. В курсовой работе в краткой форме произведен расчет силового трансформатора без подробного рассмотрения ряда второстепенных деталей и узлов имеющих значение при заводском проектировании. Однако это дает возможность овладеть основами расчета трансформаторов. Исходные данные для проектирования
Обозначим, для краткости, первичную обмотку трансформатора –1, а вторичную – 2. 1 Основные электрические величины Номинальные фазные напряжения (при этом принимаем во внимание, что при схеме звезда): ![]() ![]() Номинальные токи. При схеме «звезда» Iф = Iл ![]() ![]() т.о. I1 = I1ф = 448,4 А; I2 = I2ф = 23,1 А 2. Определение основных размеров трансформатора Данные для расчета: металл провода обмоток – алюминий; марка стали сердечника – 3411 (Э310); толщина листов стали – 0,35 мм; удельные потери в стали р10= 1,75 Вт/кг; магнитная индукция в стержнях Вс=1,6 Тл; средняя плотность тока в обмотках j= 2 А/мм2; Отношение веса стали к весу металла обмоток ![]() где pм– удельные потери в металле обмоток для алюминия pм=12,75 Вт/кг. ЭДС на один виток ![]() где С0 – коэффициент определяемый формой катушек, материалом. При трехслойной конструкции, алюминий, круглая форма катушек С0 = 0,14…0,21 [4]. Примем С0 =0,17. Число витков в обмотке 1 ![]() Число витков в обмотке 2 ![]() Уточненное значение ЭДС на виток ![]() Площадь поперечного сечения стали стержня сердечника![]() ![]() Рисунок 2.1 Ступенчатая форма поперечного сечения стержня трансформатора Число ступеней стержня сердечника n=6; [4] Число каналов в сердечнике – сердечник без каналов; Коэффициент заполнения площади описанного круга площадью ступенчатой фигуры kкр=0,935 [4]; Изоляция стали – бумага; Коэффициент заполнения ступенчатой фигуры сталью fс=0,92 [4]; Диаметр круга, описанного вокруг стержня сердечника ![]() Номинальная мощность обмотки 1 на стержень сердечника ![]() где с – число фаз. Номинальное напряжение обмотки 1 на стержень сердечника ![]() Номинальный ток обмотки 1 на стержень сердечника ![]() Число витков обмотки 1 на стержень сердечника ![]() Предварительная площадь поперечного сечения провода обмотки 1 ![]() Тип обмотки 1 – цилиндрическая двухслойная из провода прямоугольного сечения [2]; Номинальная полная мощность обмотки 2 на стержень сердечника ![]() Номинальное напряжение обмотки 2 на стержень ![]() Номинальный ток обмотки 2 ![]() Число витков обмотки 2 на стержень ![]() Предварительная площадь поперечного сечения провода обмотки 2 ![]() Тип обмотки 2 – многослойная цилиндрическая из провода круглого сечения [2]. Испытательное напряжение обмотки 1 ![]() Испытательное напряжение обмотки 2 ![]() Изоляционный цилиндр между обмоткой 1 и сердечником δцо не предусматривается; Полное расстояние между обмоткой 1 и стержнем сердечника δо=0,9 см; [4] Расстояние между обмоткой и ярмом lо=3 см; Толщина изоляционного цилиндра в промежутке между обмотками 1 и 2 δц12=0,3 см; Толщина каждого из двух вертикальных каналов ак12=0,5 см; Полное расстояние между обмотками 1 и 2 δ12=2.ак12+δц12=2.0,5+0,3=1,3 см; Предварительная радиальная толщина обмотки 1 из алюминиевого провода при мощности одного стержня от 50 до 500 кВт δ1= 3,6…4,4, принимаем δ1=4 см [4]. Предварительная радиальная толщина обмотки 2 при предыдущих мощностях δ2= 2,5…3, принимаем δ2=2,7 см [4]. Предварительное приведенное расстояние между обмотками ![]() Средний диаметр обмотки 1 ![]() Средний диаметр обмотки 2 ![]() Средняя длина витка обмоток ![]() Активная составляющая напряжения короткого замыкания ![]() Индуктивная составляющая напряжения короткого замыкания ![]() Высота обмоток по оси стержня сердечника ![]() где Кр= 0,95…0,97 – коэффициент учитывающий переход от средней длины магнитных линий потоков рассеяния к действительной высоте обмоток по оси стержня [4]. ![]() Рисунок 2.3 Предварительный эскиз расположения обмоток в окне трансформатора Высота окна сердечника ![]() Отношение высоты окна сердечника к диаметру стержня сердечника ![]() При обмотках из алюминиевого провода в трансформаторах с масляным охлаждением lc/D0=4,2…5,2 [4] 3. Расчет обмоток трансформатора Уточнение средней плотности тока в обмотках ![]() где kм– коэффициент учитывающий потери в отводах и потери от потоков рассеяния в баке трансформатора. kм=0.96…0,92 [4]. γм – удельный вес алюминия, γм=2,7 кг/см3. Предварительная удельная тепловая загрузка поверхности обмотки 1 q – количество теплоты переданное маслом охлаждающей поверхности, q1≤ 700…900 – при цилиндрической, винтовой обмотке из алюминия, режим продолжительный. Принимаем q1=700 Вт/м2; Предварительная удельная тепловая загрузка поверхности обмотки 2 q2≤500…700 – при многослойной обмотке из алюминия, с проводом круглого сечения. Принимаем q1=500 Вт/м2 [4]. 4. Расчет цилиндрической обмотки 1 из провода прямоугольного сечения Предварительная плотность тока в обмотке 1 ![]() Площадь поперечного сечения провода обмотки 1 ![]() Цилиндрическая обмотка 1 из провода прямоугольного сечения может иметь один или два слоя, принимаем число слоев nв1=2. Число витков в слое ![]() Предварительная высота витка вдоль стержня сердечника ![]() Число цилиндрических поверхностей охлаждения обмотки ![]() где kп≈0,75 – коэффициент частичного закрытия поверхности обмотки рейками, образующие вертикальные каналы, принимаем ![]() Окончательно по табл. 5–3 [4] принимаются следующие размеры провода ![]() где а1 – большая сторона сечения провода; b1 – меньшая сторона сечения провода; δu – нормальная изоляция провода, для провода марки ПББО δu = 0,45 [4]; ![]() Площадь поперечного сечения провода ![]() ![]() где Sм1к – площадь поперечного сечения провода обмотки 1 Плотность тока в обмотке 1 ![]() Толщина витка вдоль стержня сердечника ![]() где b1мк – осевая толщина m – ного изолированного параллельного провода. Удельная тепловая загрузка поверхности обмотки 1 ![]() Радиальная толщина витка ![]() au1 = a1 + δu Высота обмотки 1 вдоль стержня сердечника ![]() Радиальная толщина вертикального канала между двумя слоями обмотки 1. Для масляных трансформаторов. ак=0,6 см; Радиальная толщина обмотки 1 ![]() Средний диаметр обмотки 1 ![]() Средняя длина витка обмотки 1 ![]() Вес металла обмотки 1 ![]() где ![]() Потери в обмотке 1 без учета добавочных потерь ![]() Сумма толщин всех проводов без изоляции обмотки 1 вдоль стержня ![]() Полное число проводов обмотки 1 вдоль радиуса ![]() Коэффициент увеличения потерь в обмотке 1 от поверхностного эффекта ![]() где ρ – удельное сопротивление алюминия при 75 ºC, ρ =0,034 Ом·м; ![]() Потери в обмотке 1 с учетом добавочных потерь ![]() 5. Расчет многослойной цилиндрической обмотки 2 из провода круглого сечения Плотность тока в обмотке 2 ![]() Площадь поперечного сечения провода обмотки 2 ![]() Число параллельных проводов в обмотке 2 ![]() Диаметр голого и изолированного провода (таблица 5–1) [4] ![]() Марка провода – АПБ; Площадь поперечного сечения провода обмотки 2 ![]() где ![]() Плотность тока в обмотке 2 ![]() Расчетный диаметр изолированного провода обмотки 2 с учетом неплотности намотки ![]() Толщина витка вдоль стержня сердечника ![]() Число витков в одном слое обмотки ![]() Число слоев обмотки 2 ![]() что нежелательно; принимаем ![]() Окончательное число витков в слое ![]() т.е. 10 слоев по 77 витков и 1 слой из 28 витков, т.е. всего ![]() Рабочее напряжение между двумя слоями ![]() Толщина междуслойной изоляции δмсл=0,036 см; Выступ междуслойной изоляции на торцах обмотки 2 равен 1,6 см [4]; Число цилиндрических поверхностей охлаждения обмотки 2 на стержень сердечника ![]() Принимаем ![]() Удельная тепловая загрузка поверхности обмотки 2 ![]() Число слоев и витков в слое во внутренней катушке – 1 слой по 77 витков в слое; Число слоев и витков в слое в наружной катушке – 1 слой по 77 витков и 1 слой из 28 витков; Радиальная ширина вертикального канала между двумя концентрическими катушками обмотки 2 ак2=0,7 см; Радиальная толщина обмотки 2 ![]() Высота обмотки 2 ![]() Уточнение приведенного расстояния ![]() где ![]() ![]() Уточнение действительного расстояния между обмотками 1 и 2 ![]() Средний диаметр обмотки 2 ![]() Средняя длина витка обмотки 2 ![]() Вес металла обмотки 2 ![]() Потери в обмотке 2 без учета добавочных потерь ![]() Коэффициент увеличения потерь в обмотке 2 от поверхностного эффекта ![]() ![]() Потери в обмотке 2 с учетом добавочных потерь ![]() 6. Параметры и относительное изменение напряжения трансформатора Потери короткого замыкания ![]() т.е. на 0,3% больше заданного, что допустимо [4]. Активная составляющая напряжения короткого замыкания ![]() Приведенное расстояние между обмотками ![]() Коэффициент, учитывающий переход от средней линии магнитных силовых линий потоков рассеяния к высоте обмоток ![]() Средняя длина витка обмоток 1 и 2 ![]() Индуктивная составляющая напряжения короткого замыкания ![]() Напряжение короткого замыкания ![]() т.е. на 3,5% больше задания, что допустимо. Активное сопротивление обмотки 1 ![]() Активное сопротивление обмотки 2 ![]() Активная составляющая сопротивления короткого замыкания, приведенная к числу витков обмотки 1 ![]() Индуктивная составляющая сопротивления короткого замыкания, приведенная к числу витков обмотки 1 ![]() Процентное изменение напряжения при номинальной нагрузке (β= 1) и cos φ = 0,8 ![]() ![]() 7. Механические силы в обмотках при коротком замыкании Установившийся ток к. з. в обмотках ![]() ![]() Максимальное значение тока к. з. в обмотке 2 ![]() Суммарная радиальная сила при к.з. ![]() Разрывающее напряжение в проводе обмотки 2 ![]() что допустимо. Допустимое напряжение для алюминия σ ≤600…700 кг/см2 8. Расчет магнитной системы трансформатора Принимаем: запрессовка стержней сердечника выполнена клиньями между сердечником и обмоткой 1, сердечник без каналов [4]; Ширина пакетов стержней сердечника: ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Толщина пакетов стержня сердечника (в сердечнике нет каналов): ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Площадь поперечного сечения ступенчатой фигуры стержня сердечника ![]() ![]() Площадь поперечного сечения стали стержня сердечника ![]() Магнитная индукция в стали стержня сердечника ![]() Коэффициент увеличения площади поперечного сечения стали ярма kя=1,05; [4] Поперечное сечение стали ярма ![]() Магнитная индукция в стали ярма ![]() Высота ярма сердечника ![]() ![]() Толщина ярма перпендикулярно листам стали ![]() Наружный диаметр обмотки 2 ![]() Расстояние между осями стержней сердечника ![]() Длина ярма сердечника ![]() Длина стержней сердечника ![]() Вес стали стержней сердечника ![]() Вес стали ярем сердечника ![]() Полный вес стали сердечника ![]() Вес металла обмоток ![]() Отношение веса стали к весу металла обмоток ![]() Потери в стали сердечника (потери холостого хода) [5] ![]() где Gу= Gс.у.+ Gя.у.= γSс•2b1+ γSя•2b1 Gу =7,6•216•2•17,19•10-3+7,6•226•2•17,19•10-3=56,4+59,1=115,5 кг; Ку=1,5, [5] P10=1,75 Вт/кг; P10я=1,57 Вт/кг; [4] т.о. ![]() т.е. на 4% больше заданного, что допустимо. Сборка сердечника – впереплет. Число эквивалентных магнитных зазоров в сердечнике крайней фазы с магнитной индукцией Вс ![]() Число эквивалентных магнитных зазоров в сердечнике крайней фазы с магнитной индукцией Вя ![]() Амплитуда намагничивающего тока крайней фазы обмотки 1 ![]() где awc – удельные магнитодвижущие силы (МДС) в стержне; [4] awя – удельные МДС в ярме; [4] δэ – длина эквивалентного воздушного зазора в стержне и ярме при сборке сердечника в переплет, δэ = 0,005 см [4]. ![]() Число зазоров в сердечнике средней фазы с магнитной индукцией Вс ![]() Число зазоров в сердечнике средней фазы с магнитной индукцией Вя ![]() Амплитуда намагничивающего тока средней фазы обмотки 1 ![]() ![]() Среднее значение амплитуды намагничивающего тока для трех фаз ![]() Реактивная составляющая фазного тока холостого хода обмотки 1 ![]() где kA1 – коэффициент амплитуды, зависящий от магнитной индукции и вида стали. Реактивная составляющая фазного тока холостого хода по упрощенному методу расчета ![]() где σс – коэффициент учитывающий соединение обмоток на стороне питания, σс=1 если обмотки соединены в треугольник или звезду с нулевым проводом, σс=1…0,92 если на стороне питания обмотки соединены в звезду без нулевого провода; ррс – удельная реактивная мощность намагничивания листовой электротехнической стали, ррс = 22…44; рδс – удельная реактивная мощность намагничивания мест сопряжения стальных листов рδс = 1,8…2,7 при В=Вс; рδя – удельная реактивная мощность намагничивания мест сопряжения ярма рδя = 1,7…2,2 при В=Вя. ![]() Реактивная составляющая линейного тока холостого хода по упрощенному методу расчета ![]() Активная составляющая фазного тока холостого кода обмотки 1 ![]() Фазный ток холостого хода ![]() Линейный ток холостого хода обмотки 1 ![]() Линейный ток холостого хода в процентах от номинального тока ![]() т.е. на 2% больше заданной величины, что допустимо. 9. Коэффициент полезного действия Коэффициент полезного действия при номинальной нагрузке и cos φ = 0,8 ![]() Кратность тока нагрузки, при которой коэффициент полезного действия максимальный ![]() Максимальное значение КПД при cos φ2= 0,8 ![]() Заключение Проектирование трансформаторов включает в себя расчет и их конструирование. В данной курсовой работе рассматривался только расчет силового трехфазного трансформатора с масляным охлаждением мощностью 400 кВА напряжением 10/0,4 кВ. На основе задания и исходных данных выбираем трехфазный масляный трансформатор, соответствующий требованиям ГОСТ 11677, ГОСТ 11920, ГОСТ-15150, марки ТМГ-400/10–0,4 – У1 – трансформатор трехфазный силовой масляный герметичного исполнения (без маслорасширителя) общего назначения мощностью 400 кВ-А с естественным масляным охлаждением, с напряжением на высокой стороне 10 кВ, на низкой – 0,4 кВ, климатического исполнения для умеренного климата. Библиографический список 1. Беспалов, В.Я. Электрические машины [Текст]: учебник / В.Я. Беспалов [и др.]. – М.: Академия, 2006. – 313 с. 2. Ванурин, В.Н. Электрические машины [Текст]: учебник / В.Н. Ванурин. – М.: Энергия, 2006. – 380 с. 3. Епифанов, А.П. Электрические машины [Текст]: учебник / А.П. Епифанов. – М.: Лань, 2006. – 263 с. 4. Тихомиров, П.М. Расчет трансформаторов [Текст]: учебник / П.М. Тихомиров. – М.: Энергия, 1976. – 544 с. 5. Дымков, А.М. Расчет и конструирование трансформаторов [Текст]: учебник / А.М. Дымков. – М.: Высш. шк., 1971. – 264 с. 6. Сергеев, П.С. Проектирование электрических машин [Текст]: учебник / П.С. Сергеев, Н.В. Виноградов, Ф.А. Горяинов. – М.: Энергия, 1969. – 632 с. 7. Ермолин, Н.П. Расчет силовых трансформаторов [Текст]: пособие по курсовому проектированию / Н.П. Ермолин, Г.Г. Швец. – Л.: ЛЭТИ, 1964. – 167 с. |