расчет трансформатора. Расчет трехфазного сухого силового трансформатора
 Скачать 3.7 Mb.
|
|
Примечание: предварительно суммарный радиальный размер проводов обмотки равен 12.358 м, выбираем из таблицы 9 один слой 11, 8 м, в приложении 5 находим близкий размер. в) по таблице приложения П 5 подбираем провод так, чтобы а ≤ аmax; г) зная а и П1 , по табл. П 5 подбираем размер провода b так, чтобы получить целое число параллельных проводов в витке nв1=П1/Ппр целое число (с точностью 1÷3%). Записываем выбранный провод в виде:  Находим точное значение сечения витка  д) находим число витков в слое обмотки:  Примечание: Выбираем 25 слоев. Округляем wсл1 до меньшего целого числа; е) находим число слоев:  Примечание: Округлим Nсл1 до большего целого числа 1. Если последний слой обмотки окажется слабо заполненным, то можно скорректировать значения размеров а и b так, чтобы дробная часть числа Nсл1 была незначительно меньше единицы. ж) определяем число охлаждающих каналов, проведя предварительный расчет для 2 охлаждающих поверхностей. Электрические потери в обмотке НН:  Остальные размеры при намотке обмотки НН плашмя:   где D1′- внутренний диаметр обмотки НН; D1′′ - наружный диаметр обмотки НН Плотность теплового потока:  Исходя из полученного значения, определяем необходимое число охлаждающих каналов шириной 15 мм (или меньшей ширины), как это следует из табл. 7 и п. 5.3.5 данного пособия. Примечание: как видим из полученных значений норма превышена более чем на 100 %, а значит необходимо ввести дополнительно два канала шириной 15 мм, тогда сумма будет составлять 228 Вт/м2. з) рабочее напряжение двух слоев:  По рабочему напряжению двух слоев в соответствии с указаниями (п. 5.3.2) выбирается число листов и общая толщина кабельной бумаги δмсл в изоляции между двумя слоями обмотки. Радиальный размер обмотки НН.  где ∆из.лак=0,15 мм – толщина слоя лакоткани; nк – число охлаждающих каналов; hк – ширина охлаждающего канала; Nсл.лак – общее число слоев лакоткани. 7 РАСЧЕТ ОБМОТОК ВЫСШЕГО НАПРЯЖЕНИЯ 7.1 Выбор схемы регулирования напряжения На стороне ВН осуществляют регулирование напряжения трансформатора. Выбор схемы регулирования напряжения проводится в соответствии с заданием на курсовое проектирование (таблица 1). В трансформаторах с регулированием напряжения на стороне ВН путем переключения ответвлений без возбуждения (ПБВ) должно предусматриваться изменение числа витков обмотки ВН на ±2×2,5% = ±5,0 % от номинального значения 7.2 Расчет многослойной цилиндрической обмотки ВН из круглого провода Рекомендуется следующий порядок расчета обмотки: а) находим максимальное число витков обмотки ВН:  где w2 – расчетное значение числа витков. Примечание: выбираем 420 шт. Число витков на ответвлениях: 1-e (конец обмотки) 1,05w2=418.5615 шт; 2-e (U2 = U2ном+2,5%) 1,025w2=408.596 шт; 3-e (U2 = U2ном) 1,0 w2=395.63 шт; 4-e (U2 = U2ном – 2,5%) 0,975 w2=388.6648 шт; 5-e (U2 = U2ном – 5%) 0,95 w2=378.698 шт; б) определяем ориентировочную плотность тока j′ п.5.1 тогда ориентировочное сечение витка:  в) выбираем тип обмотки и схему регулирования напряжения; г) по таблице приложения П 6 выбираем один провод нужного сечения диаметром d2/d2′. Если одного провода недостаточно, можно взять не- сколько проводов в параллель nв2=2÷3 так, чтобы nв2·Ппр2=П′2. Записываем выбранный провод в виде:  где d2 – диаметр провода без изоляции, d2′ – диаметр провода с изоляцией. Примечание: изоляция равна 0.3 мм2 Фактическая плотность тока j2=I2/П2; д) число витков в слое ориентировочно:  Примечание: округляем их до целого числа 1374 шт; е) число слоев ориентировочно:  Примечание: округляем до целого числа 4 шт; ж) рабочее напряжение двух слоев: По рабочему напряжению двух слоев (п. 5.3.2) выбирается число слоев и общая толщина кабельной бумаги; и) распределяем витки по слоям. При распределении витков по слоям нужно учесть следующее: - верхний слой должен содержать только те витки, от которых выполнены отводы, то есть составлять 10 % w2 max; - остальные витки нужно распределить по оставшимся слоям, их число будет N′сл2 –1, отсюда число витков в этих слоях  – округляем до целого; к) разбиваем обмотку ВН на 2 катушки с осевым каналом между катушками. Число слоев внутренней катушки 1/3÷2/5 от Nсл2. Минимальная ширина канала а′к2 выбирается по таблице 6. В обмотках класса напряжения 35 кВ для защиты от перенапряжений под внутренним слоем обмотки устанавливается экран – незамкнутый цилиндр из латуни толщиной δэкр=0,05 см, изолированный с обеих сторон листом картона толщиной δиз экр=0,1см. Радиальный размер обмотки с экраном и каналом:  л) определяем остальные размеры: расчетная ширина канала между обмотками:  Уточняем радиальный размер обмотки с экраном и каналом:  внутренний диаметр обмотки ВН:  наружный диаметр обмотки ВН:  средний диаметр обмотки ВН:  м) определяем массу металла обмотки ВН без изоляции, кг для соединения Y:  где – γпр плотность материала провода 2700 кг/м3 – для алюминия); с – число фаз (с = 3);  8 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ 8.1 Определение потерь короткого замыкания Они складываются из: а) электрических потерь (основных и дополнительных) в обмотках НН и ВН; б) электрических потерь в отводах обмоток; Таким образом, общие потери в обмотках находим из соотношений с учетом длины отводов для обмотка НН, соединение Y:  Обмотка ВН, соединение Y:  Общие потери:  Проверим условие  то есть окончательно потери в обмотке НН должны составлять не менее 1/3 от общих потерь Рк: 8.2 Расчет напряжения короткого замыкания Расчет напряжения короткого замыкания uк, % .Его рассчитывают по формуле:  Активная составляющая напряжения короткого замыкания, %:  где Рк=Рк1+Рк2 берется из п. 5.6.1. Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания, %, определяется по формуле [1]:  где β – окончательное значение  В случае незначительных расхождений высот обмоток НН и ВН при расчете β принимают за высоту ℓ их среднее значение:  Входящая в формулу для uкр величина ар называется приведенной шириной канала рассеяния. Для двухобмоточных трансформаторов мощностью до 1000 кВ·А (Sн≤1000 кВ·А) её обычно принимают равной:  Если полученное значение uк отличается от заданного более чем на 7,5%, то необходимо вернуться к п.4.7 и изменить высоту обмоток ℓ, то есть увеличить или уменьшить величину β. В случае необходимости можно изменить диаметр стержня или амплитуду индукции в стержне Вс [1]. После выполнения расчетов по п. 5.4, 5.5 и 5.6 необходимо составить чертеж конструкции обмоток аналогично рис. 2 с указанием всех размеров. При этом следует показать слои обмоток и охлаждающие каналы с необходимыми размерами. Чертим электрическую схему обмотки ВН для одной фазы с указанием числа витков в каждом слое и витков, от которых выполнены отводы (рис. 5).  Рисунок 5 - Схема электрическая одной фазы обмотки ВН 9 Определение размеров магнитной системы и параметров холостого хода Число ступеней в стержне и ярме выбирают по табл. 5 в зависимости от мощности трансформатора. Ярмо может быть ступенчатой формы (чётные варианты) и полуступенчатой (нечетные). Длина стержня (длина окна lок) рассчитывается суммированием осевого размера каждой обмотки с изоляционными расстояниями от их торцов до ярма (табл. 3 и 4). Сравнивая длины стержней, получаемых таким образом, выбираем наибольшую из двух в случае их различия. Случай ярма ступенчатой формы. Размеры магнитной системы определяются диаметром стержней, диаметром и высотой обмоток и изоляционными промежутками. На рис. 6 приведен чертеж 1-й (центральной) ступени магнитопровода, на рис. 7 показано сечение стержня. Размеры по горизонтальной оси обозначены буквой «а», по вертикальной - буквой «ℓ», толщина пакетов пластин - буквой «b». Определить ширину аОK и высоту ℓОK окна для обмотки:  Определяем межцентровое расстояние стержней амц, ярем ℓмц и габаритные размеры аГ и bГ:  где lя - ширина пластины ярма (lя=d). Составляем чертеж по рис. 6 с указанием полученных в расчете размеров.   Рисунок 6 - Вид в плане на центральный пакет пластин магнитопровода (первая ступень)Определяем длину lпр средней магнитной линии по продольным участкам магнитопровода (кроме заштрихованных участков), длину lп по 2-м прямым и lk по 4-м косым стыками (заштриховано):  В соответствии с табл. 5 определяем число ступеней, составляем чертеж аналогично рис. 7 для выбранного числа ступеней, рассчитываем по табл. 10 или по приложению П. 4 размеры пакетов и указываем их на чертеже Таблица 10 Относительные размеры пакетов магнитопровода
Примечание: выбираем 3 пакета с 6тью ступенями с размерами 0,7×0,1 при этом Ккр=0.93. – Продольный участок (объём и масса): Объём:  Масса:  – Косые стыки (объём и масса):   Рисунок 7 - Сечение стержня и ярма при четырех ступенях – Объём и масса прямых стыков:  Примечание: где i = 6 число ступеней (табл. 5). Определяем мощность P0 потерь в стали магнитопровода и её массу.  Примечание: где р – удельные потери в стали 0.755 (табл. 11) gст=7650 кг/м3 – удельная плотность холоднокатаной стали; K3=0,965 – коэффициент заполнения ступеней K'уп; K''уп – коэффициенты увеличения потерь 1.35; 2.02 (табл. 12); Kпд – коэффициент добавочных потерь 1.123 (табл. 13). Величина удельных потерь в стали определяется амплитудой индукции в стержне и ярме соответственно:  Таблица 11 Удельные потери р, Вт/кг, на продольных участках для холоднокатаной стали
Таблица 12 Коэффициент Kуп увеличения потерь на косых и прямых стыках
Таблица 13 Коэффициент добавочных потерь в зоне стыка Kпд, вызванных заусенцами, резкой, наличием немагнитного зазора
Определяем намагничивающую мощность и ток холостого хода:  Примечание: где mп ; mкос; mпр – масса участков (5.7); qc – удельная намагничивающая мощность стали 0.87 (табл. 15); qз – удельная намагничивающая мощность в зоне шихтованного стыка 7 400 (табл. 16); Kтр – коэффициент, учитывающий резку листа стали: Kтр =1,18 – для отожженной стали; K'ту, K''ту – коэффициенты, учитывающие прохождение магнитного потока под углом в зоне стыков 3.45; 7.9(≈ 45º для косых; ≈ 90 º для прямых стыков, табл. 14); Kтш – коэффициент, учитывающий перешихтовку ярма при окончательной сборке: Kтш=1,01 до 250 кВ·А; Kтз – коэффициент, учитывающий снятие заусенец и отжиг. Если не сняты заусенцы, то Kтз=1,02 при отжиге Nз=6 – количество стыков; Пc – площадь сечения стержня 0.018, м2; δ – немагнитный зазор, м [0,0002 м]. Таблица 14 Значения коэффициента Kту для стали 3404 и 3405 (0,3 и 0,35 мм)
Таблица 15 Полная удельная намагничивающая мощность qc для холоднокатанной стали, В·А/кг
Полный ток холостого хода I10 А, и относительный ток i0 в % соответственно:  где Qх – в В·А; S – в кВ·А [1]. Таблица 16 Намагничивающая мощность в зоне стыка, В·А/м2
Случай полуступенчатого ярма. Расчет для этого случая во мно- гом совпадает с предыдущим, поэтому нужно ознакомиться с п. 5.7. Определяем размеры магнитной системы, указанные в п. 5.7 и составляем чертеж (рис. 8) по рис. 6 с указанием полученных в расчете размеров.  Рисунок 8 - Сечение полуступенчатого ярма Определяем длину средней магнитной линии для следующих участков. - продольная часть стержня:  - продольная часть ярма:  - плоские стыки:  - косые стыки:  В соответствии с табл. 5 выбираем число ступеней; составляем чертеж стержня по рис. 7 для выбранного числа ступеней, рассчитываем по табл. 10 или по приложению П. 4 размеры пакетов (указать их на чертеже). Составляем чертеж ярма по рис. 8 для выбранного числа ступеней рассчитываем по табл. 10 или по приложению П. 4 размеры пакетов (указать их на чертеже). Определяем объемы ступеней магнитопровода для всех участков (аналогично п. 5.7). Продольный участок стержней:  Косые стыки:  Прямые стыки:  Продольный участок ярма:  Находим потери в стали магнитопровода и её массу аналогично п.5.6.1 Определяем намагничивающую мощность и ток холостого хода аналогично п. 5.6.1 При расчете по пунктам 5.7 учесть, что магнитопровод разделен на 4 участка. Уточняем амплитуду магнитной индукции в стержне и в ярме, Тл: 10 ОЦЕНКА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ СПРОЕКТИРОВАННОГО ТРАНСФОРМАТОРА 10.1 Расчет и построение внешних характеристик Uнн = f (kнг) Спроектированный трансформатор включается в сеть как понижающий. При этом обмотка ВН питается от симметричного источника с номинальными напряжением и частотой, а симметричная нагрузка на стороне НН меняется при изменении коэффициента нагрузки kнг от 0 до 1,25 и при двух характерах нагрузки: при активноиндуктивой нагрузке cosφ2 = 0,8 (типичный характер), при активно-емкостной нагрузке cos(–φ2)=0,8 (нетипичный характер). При таком изменении нагрузки сначала рассчитывают для обоих характеров нагрузки процентное изменение напряжения трансформатора по формуле:  где ua%, up% - расчетные значения активной и реактивной составляющих напряжения короткого замыкания, %; при cosφ2 = 0,8 получим  о.е.при cos(-φ2) = 0,8 получим sinφ2 = – 0,6 Затем находим в процентах фазное (оно же линейное) напряжение обмотки НН:  Примечание: полученные значения заносим в таблицу 17. После этого с шагом 0,25 изменяем коэффициент нагрузки в диапазоне kнг=0…1,25 и приводим в табл. 17 результаты расчета двух внешних характеристик спроектированного трансформатора для обоих характеров нагрузки. Таблица 17 Расчеты внешних характеристик сухого трансформатора
Примечание: По результатам этих расчетов строим внешние характеристики в одних осях координат:  Рисунок 9- Зависимость Uнн = f (kнг) Напряжение на вторичной обмотке при нагрузке изменяется, так как ток нагрузки создает падение напряжения на активном и индуктивном сопротивлениях обмотки. Это изменение вторичного напряжения зависит не только от величины тока и сопротивлений обмотки, но и от коэффициента мощности нагрузки (рис. 1). Если трансформатор нагружен чисто активной мощностью (рис. 1, а), то напряжение по сравнению с другими вариантами меняется в меньших пределах. 10.2 Расчет и построение энергетических характеристик трансформатора Спроектированный трансформатор включается в сеть как понижающий. При этом обмотка ВН питается от симметричного источника с номинальными напряжением и частотой, а симметричная нагрузка на стороне НН меняется при изменении коэффициента нагрузки kнг от 0 до 1,25 и при двух характерах нагрузки: при активноиндуктивой нагрузке cosφ2=0,8 (типичный характер), при активно-емкостной нагрузке cos(-φ2)= 0,8 (не-типичный характер). Привести в таблице 18 результаты расчета зависимости КПД спроектированного трансформатора от коэффициента нагрузки kнг при двух указанных выше характерах нагрузки по формуле ГОСТ:  где P0, Pк – расчетные значения потерь холостого хода и короткого замыкания в кВт. Примечание: полученные значения заносим в таблицу 18. Таблица 18 Расчеты энергетических характеристик сухого трансформатора
В табл. 18 нужно поместить значения оптимального коэффициента нагрузки kнг.опт, при котором трансформатор обладает наибольшим КПД:  Примечание: По результатам расчетов построим две зависимости η = f(kнг) в одних осях координат.  Рисунок 10 - Зависимость η = f (kнг) Коэффициент полезного действия трансформатора равен отношению активной мощности на выходе вторичной обмотки Р2 к активной мощности на входе первичной обмотки Р1. КПД трансформатора зависит как от величины (β), так и от характера (cosφ2) нагрузки. Максимальное значение КПД соответствует нагрузке, при которой магнитные потери равны электрическим. Обычно КПД трансформатора имеет максимальное значение при β'=0,45÷0,65. 11 Заключительные расчеты 11.1 Определение погрешности для основных расчётных параметров а) напряжение короткого замыкания:  где uк,зад - заданное значение uк; uк, расч - расчетное значение uк; б) потери короткого замыкания  в) потери холостого хода:  г) ток холостого хода:  Выводы: результаты расчета укладываются в заданные требования, кроме потерь короткого замыкания Список литературы Основная литература: 1. Митрофанов, С.В. Энергосбережение в энергетике: учебное пособие [Электронный ресурс] : учеб. пособие / С.В. Митрофанов, О.И. Кильметьева. – Электрон. дан. – Оренбург : ОГУ, 2015. – 126 с. – Режим доступа: https://e.lanbook.com/book/97991. 2. Матюнина Ю.В., Электроснабжение потребителей и режимы: учебное пособие [Электронный ресурс] : учеб. пособие / Матюнина Ю.В., Кудрин Б.И., Жилин Б.В.. – Электрон. дан. – Москва : Издательский дом МЭИ, 2013. – 412 с. – Режим доступа: https://e.lanbook.com/book/72340. 3. Сивков, А.А. Основы электроснабжения: учебное пособие [Электронный ресурс] : учеб. пособие / А.А. Сивков, Д.Ю. Герасимов, А.С. Сайгаш. – Электрон. дан. – Томск : ТПУ, 2014. – 174 с. – Режим доступа: https://e.lanbook.com/book/62930. 4. Суворин, А.В. Приемники и потребители электрической энергии систем электроснабжения [Электронный ресурс] : учеб. пособие – Электрон. дан. – Красноярск : СФУ, 2014. – 354 с. – Режим доступа: https://e.lanbook.com/book/64575. Дополнительная литература: 1. Рожкова Л.Д. Электрооборудование электрических станций и подстанций: Учебник для сред. проф. образования / Л.Д.Рожкова, Л. К. Карнеева, Т. В.Чиркова. – 9-е изд. испр.– М.: Издательский центр «Академия», 2013. – 448 с. 2. Мясоедов Ю.В., Савина Н.В., Роточёва А.Г. Проектирование электрической части электростанций и подстанций: Учебное пособие. Благовещенск: Амурский гос. ун-т, 2002. – 139 с. 3. Электротехнический справочник 4 т. Т.3. Производство, передача и распределение электрической энергии / под ред. В.Г. Герасимова, А.Ф. Дьякова, А.И. Попова и др. – 8-е изд., испр. и доп. – М.: МЭИ, 2002. – 964 с. 4. Неклепаев Б.Н., Крючков И.П. Электрическая часть электростанций и подстанций: Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования. М.: Энергоатомиздат, 1989. – 608 с. Приложени 1            | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||