расчет трансфрпматора. трансформатор любых. Курсовой проект Введение Определение основных электрических величин

• Название: Курсовой проект Введение Определение основных электрических величин
• Анкор: расчет трансфрпматора
• Дата: 01.02.2021
• Размер: 143.94 Kb.
• Имя файла: трансформатор любых.docx
• Тип: Курсовой проект; #173013

Содержание

Задание на курсовой проект

Введение

1. 
   Определение основных электрических величин
   
2. 
   Выбор главной и продольной изоляции
   
3. 
   Определение основных размеров трансформатора
   
4. 
   Предварительный расчет обмоток
   
5. 
   Расчет обмоток низшего и высшего напряжения
   
6. 
   Расчет параметров короткого замыкания
   
7. 
   Определение размеров магнитной системы и параметров холостого хода
   

Список используемой литературы

Приложения

Лист 1. Конструкцию обмоток трансформатора – формат А4

Лист 2. Центральный пакет магнитопровода – формат А4

Лист 3. Сечение стержня – формат А4

Лист 4. Сечение ярма полуступенчатой формы – формат А4

Лист 5. Электрическая схема обмотки ВН – формат А4

Лист 6. Общий вид трансформатора– формат А4

Задание на курсовой проект

SН, кВА	Напряжение, кВ		uК, %		i0, %		Потери, кВт			Марка стали		Толщина листа марки стали
	UВН	UНН					Рк	Р0				3404	3405
250	15.75	1,0		8,0		4,0		4,4	1,1		3405		0,30	0,35

Мате- риал прово- да об-моток	Форма ярма	Плот- ность то- ка в об-мотках jдоп, А/мм2	Класс нагрево-стойко- сти изо- ляции	Техноло- гия изго- товления пластин	Конструкция обмоток цилиндрическая…		Схема и группа соеди-нений
					НН	ВН
Медь	ступ.	2,7	F	Снятие за- усенец, отжиг	двухслойная цилиндрич..	Многослойная цилиндрич..	Δ/Y-11

Введение

Трансформаторы - это наиболее распространенные устройства в современной электротехнике. Трансформаторы большой мощности составляют основу систем передачи электроэнергии от электростанций в линии электропередачи. Они повышают напряжение переменного тока, что необходимо для экономной передачи электроэнергии на значительные расстояния. В местах распределения энергии между потребителями применяют трансформаторы, понижающие напряжение до требуемых для потребителей значений. Наряду с этим, трансформаторы являются элементами электроустановок, где они осуществляют преобразование напряжения питающей сети до значений необходимых для работы последних.

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более обмоток связанных индуктивно, и предназначенные для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока. Обмотку, присоединённую к питающей сети, называют первичной, а обмотку, к которой подсоединяется нагрузка - вторичной.

Первичную обмотку трансформатора подсоединяют к питающей сети переменного тока. Ток первичной обмотки I₁ имеет активную и индуктивную составляющие. При разомкнутой вторичной обмотке (холостой ход), вследствие действия индуктивной составляющей тока I_Oм возникает магнитный поток, который намагничивает сердечник. Активная составляющая тока I определяется потерями, возникающими, в местах стали, при перемагничивании сердечника. Наибольшая часть потока Ф₁ сцепленного с первичной обмоткой, сцеплена также со всеми обмотками фазы и является потоком взаимоиндукции между обмотками, или главным рабочим потоком Ф. Другая часть полного потока Ф₁ сцеплена не со всеми витками первичной и вторичной обмоток. Её называют потоком рассеивания.

ЭДС обмотки пропорциональна числу её витков. Отношение ЭДС первичной и вторичной обмоток называется коэффициентом трансформации, который пропорционален отношению чисел витков первичной и вторичной обмоток.

Устройство силовых трансформаторов

Трансформаторы имеют магнитопроводящие сердечники и токопроводящие обмотки. Для лучшего охлаждения сердечники и обмотки мощных трансформаторов погружаются в бак, наполненный маслом. Сердечники трансформаторов состоят из стержней, на которых размещаются обмотки, и ярм, которые служат для проведения потока между стержнями. Различают два вида сердечников: стержневой и броневой,

Броневой сердечник имеет разветвлённую магнитную систему, вследствие этого поток в ярме составляет половину от потока стержня, на котором расположены обмотки.

Трёхфазные трансформаторы выполняются обычно стержневыми. Их сердечники состоят из расположенных в одной плоскости грех стержней, соединённых ярмами. Магнитная система таких трансформаторов несколько несимметрична, так как магнитная проводимость потока крайних стержней и среднего - является неодинаковой.

Вследствие изменения потока, в контурах стали сердечника индуктируется ЭДС, вызывающая вихревые токи, которые стремятся замкнуться по контуру стали, расположенному в поперечном сечении стержня. Для уменьшения вихревых токов, сердечники трансформатора набираются (шихтуются) из изолированных прямоугольных пластин электротехнической стали толщиной 0.5мм или 0.35мм. Дня уменьшения зазоров в местах стыков, слои сердечника, набранные различными способами, чередуются через один. После сборки, листы верхнего ярма вынимаются и на стержнях устанавливаются обмотки, после чего ярмо вновь зашихтовывается. Листы сердечника изолируются лаком или бумагой, имеющей толщину 0.03мм, и стягиваются при помощи изолированных шпилек.

В большинстве случаев в трансформаторах электропередач применяются так называемые концентрические обмотки, имеющие вид размещённых концентрически (одна в другой) полых цилиндров Обычно ближе к сердечнику размещается обмотка низшего напряжения, требующая меньшей толщины изоляции сердечника.

По способу охлаждения трансформаторы разделяются на масляные, обмотки которых погружены в масло и сухие, охлаждаемые воздухом. Мощные силовые транс форматоры имеют масляное охлаждение. Трансформатор в большинстве случаев не является полностью твёрдым телом, а содержит большое количество жидкого масла, которое оказывает значительное влияние на теплопередачу

В большинстве случаев в трансформаторах электропередач применяются так называемые концентрические обмотки, которые имеют вид размещённых концентрически полых цилиндров (одна в другой). Обычно ближе к сердечнику размещается обмотка низшего напряжения, требующая меньшей толщины изоляции сердечника.

В трансформаторах мощностью до 560кВА концентрическая обмотка выполняется по типу цилиндрической обмотки, в большинстве случаев имеющей два слоя. Слои обмотки выполняются из провода круглого или прямоугольного сечения. Провод наматывается впритык по винтовой линии вдоль образующей цилиндра.

В трансформаторах больших мощностей концентрическая обмотка низшего напряжения выполняется по типу винтовой, в которой между двумя соседними по высоте витками оставляется канал.

В трансформаторах на напряжение 35 кВ и более применяют концентрическую обмотку, выполненную по типу непрерывной, в которой, отличие от винтовой, каждый виток состоит из нескольких концентрически намотанных витков обмотки. Катушки этой обмотки наматываются непрерывно одним проводом без пайки. При воздействии осевых сжимающих усилий, возникающих при внезапных коротких замыканиях, наиболее надёжными являются непрерывные обмотки.

1. 
   Определение основных электрических величин
   

Мощность на один стержнь.

S’=Sн/c=250/3=83,3 кВА

Фазные напряжения и токи

Сторона НН для Y



Сторона ВН для Δ:



Активная и реактивная составляющая напряжения короткого замыкания

2. 
   Выбор главной и продольной изоляции
   

Минимальные изоляционные расстояния обмоток НН и ВН

l₀₂=0,12 м, а₁₂=0,06 м, δ₁₂=0,01 м, ln₂=0,06м, а₂₂=0,065м, δ₂₂=0,005м l₀₁=0,015м, а₀₁=0,015м, δ₀₁=0,001м, ln₁=0,01м

3. Определение основных размеров трансформатора

Определим диаметр d’ стержня трансформатора из соотношения:



где S’ - мощность, приходящаяся на один стержень,

β=πВ₁₂/l - отношение длинны витка к высоте обмотки,

β=2,1 [1, таблица 5]

Кр=0.95 - коэффициент Роговского,

f=50 Гц - частота сети,

Uкр - реактивная составляющая Uк,%

Вс=1.5 Тл - магнитная индукция,

Кс=0.9 - общий коэффициент заполнения

а_р - ширина приведенного канала рассеяния (это ориентировочно ширина зоны, занятой обмотками НН и ВН).

Расчет а_р выполняется по соотношению:



где а₁₂ - ширина изоляционного промежутка,

а´ - радиальный размер обмоток (ширина).









Округлим значение d’ до 0,18 и найдем уточненное значение β, повторив
расчет по соотношению:



Определим средний диаметр витка d´/2 (средний диаметр канала рассеяния) предварительно:

d’₁₂=d’+2a₀₁+a₁₂+2,2a’=0,18+2·0,015+0,06+2,2·0,0166=0,307 м

dср_нн=d’₁₂-(a₁₂+1,1a’)=0,307-(0,06+1,1· 0,0166)=0,229 м

dср_вн=d’₁₂+(a₁₂+1,1a’)=0,307+(0,06+1,1·0,0166)=0,385 м

Определение высоты обмоток l:







4. Предварительный расчет обмоток трансформатора

Определение ЭДС витка

Е’в= 4.44·f·Пс·Вс=4,44·50·0,0229·1,5=7,62 В

витков

округляем до четного числа W₁= 76

Уточняем



витков

Разделим заданные потери Рк между обмотками ОНН и ОВН пропорционально длине витка, что обеспечит примерно равную плотность тока.

ОНН



ОВН



Определим площадь сечения провода обмоток НН и ВН





где ρ_t=26,2·10^-9 – удельное сопротивление материала обмотки при t=115°C [1, таблица 8].





Определим среднюю плотность тока в обмотках







Расчетное значение оказалось меньше допустимого, расчет продолжаем.

Число реек р=8 [1, таблица 5].

Ширина реек из условия, что их суммарная ширина не более 15% от длины окружности обмотки, т.е. Кзп>0,85 (коэффициент закрытия поверхности).





5. Расчет обмоток трансформатора

Определяем фактическую ширину охлаждающих каналов для обмоток НН и ВН (выбраны из условий изоляции):

больше 15 мм

> 15мм

Для изоляции класса F и канала 15мм

q=720 Вт/м².

Определяем плотность теплового потока обмоток



Норма 720 Вт/м².



Норма 720 Вт/м².

Превышение (935-720)·100%/720=30%

При превышении плотности для любой обмотки от 20% до 40% следует

ввести один канал шириной 7 мм, при этом норма возрастает на величину

потока для этого канала, т. е. составит 720+300=1020 Вт/м² для класса F.

Расчет обмотки низшего напряжения

Расчет двухслойной цилиндрической обмотки из прямоугольного
провода (размеры а*в). Особенность конструкции рассматриваемой
обмотки состоит в том, что все витки каждого слоя (Wсл=W₁/Nсл ) и их
параллельные провода расположены в один ряд без интервалов в осевом
направлении.

- число витков в слое

напряжение одного витка

- предельный осевой размер (высота) витка

Подбираем сечение из одного провода.

Находим значения величины а и в: а=4,5 мм b=12,5 мм.

Провод располагается плашмя

h_в1=12,5+0,5=13 мм=0,013 м

а’=4,5+0,5=5 мм

Записываем выбранный провод в виде ПБ-

Уточняем L₁, П₁ и плотность тока

L₁=(Wсл+1)·13,3·10^-3=(38+1)·13,0·10^-3=0,51 м

П =55,4 мм².

Jнн=Iф_ном1/П₁=144,3/55,4=2,6 А/мм².

Таким образом, обмотка НН должна быть намотана на цилиндрическую оправку диаметром d+a₀₁=0,18+0,015·2=0,21 м в два слоя, между слоями помешаются 8 планок толщиной 7 мм , число витков в каждом слое 38, намотка ведется проводами по 1 плашмя. Для закрепления витков обмотка промазывается бакелитовым лаком и просушивается.

a₁ = 2·а’ + а_к1= 2·5+7=17мм=0,017 м - ширина (радиальный размер)

Внутренний диаметр ОНН

D’₁=d+2·a₀₁=0,18+2·0,015=0,21 м.

Наружный диамметр ОНН

D’’₁= D’₁+2·a₁=0,21+2·0,017=0,244 м.



Масса металла обмотки без изоляции

m₀₁= γ_прП₁(с∙π·D_ср1·W₁+7,5·l) для соединения звездой Y

где γ_пр=8900 кг/м³ – плотность материала провода,

m₀₁=8900∙55,4∙10^-6∙(3∙3,14∙0,227∙76+7,5∙0,507)=82 кг.

Масса проводов обмотки с изоляцией

М_пр=К_из·m₀₁.

К_из- коэффициент увеличения массы медного провода за счет изоляции,

М_пр =1,015·82=83,2 кг.

Расчет обмоток высшего напряжения

Выбор схемы регулирования напряжения проводился в соответствии с заданием на курсовое проектирование. В трансформаторах с регулированием напряжения на стороне ВН путем переключения ответвлений без возбуждения (ПБВ) должно предусматриваться изменение числа витков ОВН на ±2x2,5=±5,0% от номинального значения.

Расчет многослойной цилиндрической обмотки ВН из круглого провода. В многослойной цилиндрической обмотке из круглого провода параллельные провода в витке располагаются в радиальном направлении; поэтому высота обмотки 1₂ = 1₁ не ограничивает выбора диаметра провода.

Определяем число витков на отводах

Определяем число витков на отводах

1-й конец обмотки (+5%)

W_2mах=1,05·W₂=1,05·2072=2176

2-й конец обмотки (+2.5%)

W₂ = 1,025·W₂=2124

3-й конец обмотки (+0%)

W₂=2072

4-й конец обмотан (-2.5%)

W₂=0.975·W₂=0,975·2072=2020

5-и конец обмотки (-5%)

W_2min = 0.95·W₂=0,95·2072=1968

Выбираем размер провода

d’₂=1,6 мм, сечение 2,015 мм².

Фактическая плотность тока

j₂=Iф_ном2/П₂=5,29/2,015=2,63 А/мм².

Выбранный провод ПБ -

Число слоев ориентировочно



Округляется до ближайшего большого целого числа;

N'₂=9

Оставляем витки с отводами в наружном слое всего 2176-1968=208витков, остальные 1968 витка распределим на 8 слоев, т.е. примерно 246 виток в слое.

Длина обмотки ОВН

l’₂=(1,6 +0,4)(W_сл2+1)·10^-3 =(1,6 +0,4)(246+1)·10^-3 =0,494 м.

Разбиваем обмотку на 2 катушки, внутреннюю с 3-мя слоями и наружную с 6-ю слоями, с каналом 7 мм.

Рабочее напряжение двух слоев

Uм_сл=2W’_сл·Ев=2·246·7,62=3750 В.

По рабочему напряжению межслойную изоляцию следует выполнять по 5 слоев лакотканью ЛСБ - 120/130 толщиной 0,15.

-между слоями 1 и 2, 2 и 3,

-между слоями 4 и 5, 5 и 6, 6 и 7, 7 и 8, 8 и 9.

Итого 35 слоев по 0,15 мм.

Определяем размеры обмотки ВН

Внутренний диаметр ОВН

D’₂= D’’₁+2а₁₂=0,244+2·0,06=0,364 м

Внешний диаметр ОВН

D’’₂=D’₂+2·(a_k2+35· 0,15·10^-3+N’₂(d’₂+0,5)·10^-3)=

=0,364 +2∙(0,007 +35· 0,15·10^-3+9∙(1,6+0,4)·10^-3)=

=0,364+0,061=0,425 м

Радиальный размер ОВН с каналом





Определим массу металла обмотки ВН

Масса металла обмотки без изоляции, кг,

m₀₂= γ_прП₂(с∙π·D_ср2·W₂+13·l) для соединенияΔ,

где γ_пр=8900 кг/м³ – плотность материала провода,

m₀₂=8900∙2∙10^-6∙(3∙3,14∙0,395∙2072+13∙0,494)=137,2 кг.

Масса проводов обмотки с изоляцией

М_пр=К_из·m₀₁.

К_из- коэффициент увеличения массы медного провода за счет изоляции,

М_пр2 =1,04·137,2=142,7 кг.


6. Расчет параметров короткого замыкания

Определение потерь короткого замыкания. Потери короткого замыкания складываются из:

• 
  электрических потерь (основных и дополнительных) в обмотках НН и ВН;
  
• 
  электрических потерь в отводах обмоток;
  
• 
  потерь во всех металлических конструкциях трансформатора, вызванных полем рассеяния обмоток и отводов;
  

Определяем электрические потери в обмотках НН и ВН;

ОНН (соединение Y) Кдоп=1,05.



ОВН (соединение Δ) Кдоп=1,05.



Общие потери в обмотках и отводах

Р_к= Р_к1+Р_к2=1720+2950=4670 Вт

Проверим соотношение потерь ОНН и ОВН



Расчет напряжения короткого замыкания. Напряжение короткого замыкания Uк%, рассчитывается по формуле



Активная составляющая напряжения короткого замыкания, %,



Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания, % определяется по формуле

, где

приведенная ширина канала рассеяния:

уточненное значение а_р:



.

Получаем, что напряжение короткого замыкания расчетное (7,9%) примерно равно заданному (8%).

7. Определение размеров магнитной системы и параметров холостого хода

Размеры магнитной системы определяются диаметром стержней, диаметром и высотой обмоток и изоляционными промежутками. Размеры по горизонтальной оси обозначены буквой «а», по вертикальной буквой «l», толщина пакетов пластин буквой "b"

Определить ширину а_ок и высоту l_ок, окна для обмотки

а_ок =D''2+а₂₂ - d =0,425+0,065-0,18=0,31 м

l_ок=l'+2·l₀₂=0,507+2·0,12=0,747 м

Межцентровое стержней

а_мц=d+а_ок=0,18+0,31=0,49 м

Межцентровое ярмо

l_мц=d+l_ок=0,18+0,747=0,927 м

Габаритные размеры в длину

а_ст1=d·0,959=0,18·0,959= 0,173 м

а_г=2·а_мц+а_cт1=2·0,49+0,173=1,153 м

Габаритные размеры в высоту

l_г=l_мц+d=0,927+0,18=1,107 м

Определим длину средней магнитной линии;

по продольным участкам

L_пр=3·1_ок+4·а_ок=3·0,747+4·0,31=3,481 м

по прямым стыкам

L_п=2·d=2·0,18=0,36м

по косым стыкам

L_кос=4·а_ст1=4·0,173=0,692 м

Число ступеней – 7.

Размер ступеней в поперечном сечении стержней и ярма

1 ступень

а_ст1=0,959·d=0,959·0,18=0,173 м

b_ст1=0,14·d=0,14·0,18=0,025 м

2 ступень

а_ст2=0,849·d=0,849·0,18=0,153 м

b_ст2=0,08·d=0,08·0,18=0,014 м

3 ступень

а_ст3=0,812·d=0,812·0,18=0,146 м

b_ст3=0,071·d=0,071·0,18=0,013 м

4 ступень

а_ст4=0,729·d=0,729·0,18=0,131 м

b_ст4=0,05·d=0,05·0,18=0,009 м

5 ступень

а_ст5=0,646·d=0,646·0,18=0,116 м

b_ст5=0,038·d=0,038·0,18=0,007 м

6 ступень

а_ст6=0,563·d=0,563·0,18=0,101 м

b_ст6=0,033·d=0,033·0,18=0,006 м

7 ступень

а_ст7=0,5·d=0,5·0,18=0,09 м

b_ст7=0,021·d=0,021·0,18=0,004 м
Определим объем ступеней магнитопровода для всех участков.

Объем продольных участков:

V_пр=2·L_пр· (а_ст1·b_ст1+а_ст2·b_ст2+а_ст3·b_ст3+а_ст4·b_ст4+а_ст5·b_ст5+а_ст6·b_ст6+а_ст7·b_ст7)=

=2·3,481·(0,173·0,025+0,153·0,014+0,146·0,013+0,131·0,009+0,116·0,007+

+0,101·0,006+0,09·0,004)=0,0788 м²

Масса продольных участков:

m_пр=V_пр·р_ст·Кз

где р_ст=7650 кг/м³ – удельная плотность холоднокатаной стали,

Кз=0,965 – коэффициент заполнения ступеней.

m_пр=0,0788·7650·0,965=582 кг.

Объем участка с косыми стыками;

V_кос=2·L_кос· (а_ст1·b_ст1+а_ст2·b_ст2+а_ст3·b_ст3+а_ст4·b_ст4+а_ст5·b_ст5+а_ст6·b_ст6+а_ст7·b_ст7)=

=2·0,692·0,011322=0,01567 м²

Масса участка с косыми стыками

m_кос=V_кос·р_ст·Кз=0,01567·7650·0,965=116 кг

Объем участка с прямыми стыками

V_П=2·L_П· (а_ст1·b_ст1+а_ст2·b_ст2+а_ст3·b_ст3+а_ст4·b_ст4+а_ст5·b_ст5+а_ст6·b_ст6+а_ст7·b_ст7)=

=2·0,36·0,011322= 0,00815 м².

Масса прямых участков:

m_п=V_П·р_ст·Кз=0,00815·7650·0,965=60 кг

Потери в магнитопроводе [1, таблица 13]

Р=р·(m_пр+К_пд·К'_уп·m_кос+К_пд·К''_уп·m_п)

где К'уп=1.35, К"уп=2.02 - коэффициент увеличения потерь[1, таблица 13].

Кпд=1,12– коэффициент добавочных потерь[1, таблица 14].

р – удельные потери в стали [1, таблица 12].

Р=1,03·(582+1,12·1,35·116+1,12·2,02·60)=920 Вт

Масса стали

m_м=m_пр+m_кос+m_п=582+116+60=758 кг

Определим намагничивающую мощность и ток холостого тока

Q_x=К_тр·К_Тз·q_c·(m_пр+m_кос·К'_ту+m_п·К''_ту)+Σq_з·N_з·П_с)·К_шт

где q_c – удельная намагничивающая мощность стали [1, таблица 16],

К_тр =1,18 – коэффициент, учитывающий резку листа стали, для неотожженной стали,

К'_ту=4,3, К"_ту=9,8 – коэффициенты учитывающие прохождение магнитного потока под углом в зоне стыков [1, таблица 15].

К_тш – коэффициент, учитывающий перешихтовку ярма при окончательной сборке, К_тш = 1,01 для трансформатора до 250 кВА.

К_тз – коэффициент , учитывающий снятие заусениц и отжиг (Ктз = 1,0 при отжиге, сняты заусеницы.

δ=0,0002 м – немагнитный зазор, м

Q_x= (1,246·1,18·1,0·(582+4,3·116+9,8·60)+13800·6·0,0229)·1,01=4400 Вт.

Полный ток холостого тока в А и относительный ток в %:

Определить полный ток холостого тока в А и относительный ток в %:



Оценка результатов

Определим погрешность для основных параметров.

Напряжение короткого замыкания,



Потери короткого замыкания;



Потери холостого тока;



Ток холостого тока;



Вывод: Рассчитанный трансформатор соответствует всем исходным данным.

Список используемой литературы

1. Расчет трехфазного сухого силового трансформатора - Методические указания к выполнению курсовой работы по курсу «Электромеханика» для студентов специальности 140211 «Электроснабжение» очной и заочной форм обучения. - Курган: КГУ. – 63 с.

2. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов: Учебное пособие для вузов. – 5-е изд. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 528 с.

3. Попов Д.А., Руднев В.Н. Электрические машины: – Задание на курсовой проект. – М.: Изд-во ВЗИИТа, 1987.- 36 с.

4. Электротехнический справочник: в 3-х томах. Т.2. Электротехнические устройства/ Под общ. ред. проф. МЭИ В.Г. Герасимова, П.Г. Грудинского и др. – 6-е изд. (и более поздние издания). – М.: Энергоатомиздат, 1981. – 640 с.