КУРСОВАЯ. Задача курсового проекта по расчетным данным спроектировать двухобмоточный трехфазный трансформатор

• Название: Задача курсового проекта по расчетным данным спроектировать двухобмоточный трехфазный трансформатор
• Дата: 04.11.2021
• Размер: 0.51 Mb.
• Имя файла: КУРСОВАЯ.docx
• Тип: Задача; #263343

ВВЕДЕНИЕ

Целью выполнения курсового проекта является определение основных электрических величин трансформатора, расчет его основных размеров, расчет обмоток ВН и НН, определение потерь короткого замыкания.

Задача курсового проекта: по расчетным данным спроектировать двухобмоточный трехфазный трансформатор.

Электрическую энергию, вырабатываемую электростанциями, передают за сотни и тысячи километров, в объединенную энергетическую систему, в промышленные центры и непосредственно к потребителю.

Чтобы уменьшить потери при передаче электроэнергии, увеличивают напряжение и соответственно снижают силу тока с помощью трансформатора. Трансформатор, повышая напряжение, пропорционально уменьшает силу тока, поэтому передаваемая мощность остается без изменения, а потери в проводах ЛЭП резко уменьшаются. Например, при увеличении напряжения передаваемой энергии в 10 раз потери снижаются в 100 раз.

Трансформатор – статический электромагнитный аппарат для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения, той же частоты. Трансформаторы применяют в электрических цепях при передаче и распределении электрической энергии, а также в сварочных, нагревательных, выпрямительных электроустановках и многом другом. Трансформаторы различают по числу фаз, числу обмоток, способу охлаждения. В основном используются силовые трансформаторы, предназначенные для повышения или понижения напряжения в электрических цепях.

Трансформатор во время своей работы, вследствие возникающих в нем потерь нагревается. Чтобы температура нагрева трансформатора не превышала допустимого значения, необходимо правильно подобрать сечение обмоток трансформатора, магнитопровода и обеспечить достаточное охлаждение при помощи масла.

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Необходимо спроектировать трехфазный силовой масляный двухобмоточный трансформатор с параметрами, удовлетворяющими ГОСТ 11677- 85 и ГОСТ 11920- 73, которые должны быть получены с заданной точностью.

В задании на курсовой проект двухобмоточного трансформатора указаны следующие данные.

1. Полная мощность трансформатора S=2500, кВА;

2. Номинальное линейное напряжение обмотки низкого напряжения U1л=6300,В;

3. Номинальное линейное напряжение обмотки высокого напряжения U2Л=35000,В;

4. Потери короткого замыкания Pк=23500, Вт;

5. Потери холостого хода Pо=3900, Вт;

6. Напряжение короткого замыкания UK=6,5%;

7. Ток холостого хода Iо=1 %;

8. Схема и группа соединения обмоток «У/Д» (числитель — схема обмотки ВН. Знаменатель — схема обмотки НН);

9. Частота 50 Гц.



Рисунок 1 – Схема соединения обмоток трансформатора

1. 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ТРАНСФОРМАТОРА

1. 
   Мощность одной фазы, кВA
   

кВА,
где m- число фаз, m = 3.

2. Мощность на один стержень, кВA

кВА,
где с - число активных стержней, несущих обмотки трансформатора.

Для силовых масляных трехфазных трансформаторов с = m = 3.

3. Номинальный линейный ток обмотки низкого напряжения, А

A,

4. Номинальный линейный ток обмотки высокого напряжения, А

A,
5. Номинальные фазные токи и напряжения обмотки низкого напряжения:

5.1 При соединении обмотки в треугольник

В,
A,


6. Номинальные фазные токи и напряжения обмотки высокого напряжения:

6.1 При соединении обмотки в звезду

А,
В,
7. Активная составляющая напряжения короткого замыкания, %

%,
8. Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания, %

%,

17. 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ТРАНСФОРМАТОРА

    1. 2.1 Выбор конструктивной схемы магнитной системы, марки стали и толщины листов, технологии изготовления

Диаметр окружности, в которую вписана ступенчатая фигура стержня, является первым основным размером трансформатора и рассчитывается по формуле



Расчет и выбор величин, входящих в формулу:

1. Мощность обмоток одного стержня трансформатора, кВа

кВА

2. 
   Ширина приведенного канала рассеяния трансформатора, см
   

см,

см

Размер канала между обмотками ВН и НН определяется как изоляционный промежуток и может быть выбран из таблиц 8 [1].

Суммарный приведенный размер обмоток ВН и НН может быть приближенно определен по формуле:



,см

З. Значение приближенно равно отношению средней длины витка обмоток трансформатора к их высоте и определяет соотношение между шириной и высотой трансформатора.



4. Коэффициент приведения идеального поля рассеяния к реальному полю (коэффициент Роговского) при определении основных размеров можно приближенно принять



5. Частота .

6. Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания, %,

%

7. Индукция в стержне магнитной системы.

Тл
8. - коэффициент заполнения активным сечением стали площади круга, описывающего сечение стержня, зависит от выбора числа ступеней в сечении стержня, способа прессовки стержня, размеров охлаждающих каналов, толщины листов стали, вида междулистовой изоляции и рассчитывается по формуле:

,

,

,

где - коэффициент заполнения площади круга площадью ступенчатой фигуры;

- коэффициент заполнения площади ступенчатой фигуры сталью, учитывающий толщину изоляционного слоя и неплотность запрессовки листов.

см
Полученное значение диаметра стержня округляем до ближайшего нормализованного диаметра:

см.

Второй основной размер трансформатора — средний диаметр канала между обмотками может быть предварительно приближенно определен по формуле

Второй основной размер трансформатора — средний диаметр канала между обмотками может быть предварительно приближенно определен по формуле

см,

см,

см,

Радиальные размеры осевых каналов между стержнем и обмоткой НН и между обмотками НН и ВН.

Третий основной размер трансформатора — высота обмоток определяется по формуле

см,

где - коэффициент, зависящий от материала обмоток и габарита трансформатора.

_{После расчета основных размеров трансформатора определяется активное сечение стержня, т.е. чистое сечение стали,}

,
ЭДС одного витка, В
В.

2. Выбор материала и конструкции обмоток (предварительно)

Электролитическая медь, как проводниковый материал, по сравнению с алюминием имеет примерно в 1,5 раза меньше удельное электрическое сопротивление, большую механическую прочность, легко обрабатывается, более стойка к коррозии. Но из-за дефицитности меди алюминиевые обмотки также находят весьма широкое использование.

Поэтому все новые серии трансформаторов общего применения мощностью до 16000 кВ·А проектируются исключительно с алюминиевыми обмотками.

2. 2.3 Выбор конструкции и определение размеров основных изоляционных промежутков главной изоляции обмоток представлен на рисунке 3

Рисунок 3 – Главная изоляция обмоток

3. 2.4 Определение основных размеров трансформатора представлены на рисунке 2

Рисунок 2 – Основные размеры трансформатора

3. ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ ОБМОТОК ТРАНСФОРМАТОРА

4. 3.1 Общие вопросы расчёта обмоток

Основные критерии выбора типа обмотки — номинальный фазный ток, мощность трансформатора на одну фазу обмотки и номинальное фазное напряжение , а также поперечное сечение витка .

Для расчета поперечного сечения витков обмотки ВН и НН необходимо определить среднюю плотность тока в обмотках, А / обеспечивающую получение заданных потерь короткого замыкания для этого можно воспользоваться формулой:

,
где - коэффициент, учитывающий добавочные потери в обмотках, потери в отводах, в стенках бака, = 0,85

Предварительное сечение витка

обмотки НН

,
обмотки ВН

,
После определения предварительного сечения нитка нужно выбрать тип обмотки НН и ВН. Следует отметить, что в случае, когда возможно применение двух различных типов обмотки, следует отдавать предпочтение типу более простому и дешевому.

Обмотку НН выбираем непрерывную спиральную катушечную обмотку прямоугольного сечения, обмотку ВН – непрерывную спиральную катушечную из провода прямоугольного сечения.

5. 3.2 Расчёт обмоток низкого напряжения трансформатора

Число витков на фазу обмотки

,
_{Полученное значение} округляем до целого числа и уточняем значение

,
В.
Действительная индукция в стержне, Тл

Тл

где - уточненное значение ЭДС одного витка.

Выбираем непрерывную спиральную катушечную обмотку.

По полученным значениям из сортамента прямоугольного обмоточного провода подбираем провод подходящего сечения:

,

где АПБ – марка провода;

5 – число параллельных проводов;

- размеры провода без изоляции;

- размеры провода с изоляцией.

Толщина изоляции мм. Намотку провода производим плашмя.

Полное сечение витка, мм²

мм²
где - сечение одного провода.

_{Уточненная плотность тока обмотки НН, значение которой применяется в дальнейших расчетах,}



Предварительная высота обмотки с учетом зазора под ярмо

см

Предварительное число катушек



Округляем до ближайшего целого четного числа



Предварительное число витков в катушке



Округляем до ближайшего целого числа



Окончательная высота обмотки НН



см,

Коэффициент учитывает усадку межкатушечных прокладок после опрессовки обмотки и принимаем равным 0,94.

Радиальный размер обмотки, см

см

Внутренний диаметр обмотки, см,

.

см.

Наружный диаметр обмотки, см,

см.

Поверхность охлаждения обмотки, м²





Рисунок 4 – Эскиз витка обмотки НН

6. 
   3.3 Расчёт обмоток высокого напряжения трансформатора
   

В масляных трансформатора мощностью от 25 до 200 000 кВА ПБВ (регулирование напряжения переключением ответвлений обмотки после отключения обмоток трансформатора от сети) предусмотрено выполнение в обмотке ВН четырех ответвлений на +5%; +2,5%; -2,5%;-5% номинального напряжения помимо основного зажима с номинальным напряжением.

Выбираем схему размещения регулировочных ответвлений в трансформаторе с ПБВ показанную на рисунке 5.



Рисунок 5 - Схема регулирования напряжения
Число витков обмотки ВН при номинальном напряжении определяется по формуле


Число витков для одной ступени регулирования



Число витков обмотки на отводах:

а) верхние ступени напряжения





б) при номинальном напряжении



в) нижние ступени напряжения





_{Плотность тока в обмотке ВН предварительно определяется по формуле,}



Предварительное сечение витка обмотки ВН, мм²

мм²

По предварительному сечению из сортамента прямоугольного обмоточного провода подбираем провод подходящего сечения:

,
где АПБ – марка провода;

1- число параллельных проводов;

– размеры провода без изоляции;

– размеры провода с изоляцией.

_{Полное сечение нитка,}

мм²

где - сечение одного провода.

_{Уточненная плотность тока обмотки ВН, значения которой применяется в дальнейших расчетах,}



Предварительная высота катушек учётом зазора между ярмом катушкой



Предварительное число катушек


Округляем до ближайшего целого четного числа


Предварительное число витков в катушке


Округляем до ближайшего целого четного числа


Окончательная высота обмотки ВН



см,

Коэффициент учитывает усадку межкатушечных прокладок после

опрессовки обмотки и принимаем равным 0,94.
Радиальный размер обмотки, см

см

Внутренний диаметр обмотки, см,

.

см.
Наружный диаметр обмотки, см,

см.

Расстояние между осями соседних стержней



Поверхность охлаждения обмотки, м²





По испытательному напряжению обмотки ВН и мощности трансформатора определяем:

а) размеры канала между обмотками НН и ВН см;

б) толщину цилиндра между обмотками см;

в) величину выступа цилиндра за высоту обмотки см;

г) минимальное расстояние между обмотками ВН соседних стержней см;

д) расстояние обмотки ВН от ярма см.


Рисунок 6 – Эскиз витка обмотки ВН

18. 
    
    
19. 
    
    
20. 
    
    
21. 
    
    
22. 
    
    
23. 
    
    
24. 
    
    
25. 
    
    
26. 
    
    
27. 
    4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
    
    1. 
       4.1 Определение потерь короткого замыкания
       

1) Масса обмотки НН, кг,

кг
2) Масса обмотки ВН, кг,

кг
3) Коэффициент добавочных потерь, который зависит от геометрических размеров проводников обмоток и их расположения по отношению к полю рассеяния трансформатора, выбирается для каждой обмотки:

НН:



ВН:


4) Электрические потери в обмотках низкого напряжения с учетом добавочных потерь, Вт,

Вт
5) Электрические потери в обмотке высокого напряжения с учетом добавочных потерь, Вт,

Вт
<sub>6) Плотность теплового потока обмотки НН (потери в обмотке НН, отнесенные к единице охлаждаемой поверхности),


7) Плотность теплового потока обмотки ВН,</sub>



8. Расчет электрических потерь в отводах сводится к определению длины проводников и массы металла в отводах:

а) сечение отвода принимается равным сечению витка

;

б) длина проводов отводов ,см,

при соединении НН-Д: см
при соединении ВН-У: см
в) масса металла проводов отводов, кг,

НН: кг
ВН: кг
г) электрические потери в отводах

Вт
Вт,

где к - коэффициент, зависящий от материала обмоток, алюминий – к =12,75;
9. Потери в стенках бака и других стальных деталях — потери на гистерезис и вихревые токи от полей рассеяния обмоток и отводов трансформатора.

Вт,

10. Полные потери короткого замыкания, Вт,



Вт

Отношением сравнивается фактические расчётные потери короткого замыкания с заданными: расчётные потери короткого замыкания не должны отличатся более, чем на ±5 %.

2. 
   4.2 Расчёт напряжения короткого замыкания
   

Напряжение короткого замыкания U_k% может отличаться от заданного значения не более 5%.

1. Активная составляющая напряжения короткого замыкания, %



2. Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания, %,






3. Напряжение короткого замыкания трансформатора, %



_{Определяется отношение}

Отклонение расчётного значения от заданного не должно быть большим - ±5%.

3. 
   4.3 Определение механических сил в обмотках и нагрева обмоток при коротком замыкании
   

Механические силы возникают в результате взаимодействия тока в обмотках с магнитным полем рассеяния, создают механические напряжения в обмотках и частично передаются на элементы конструкции трансформатора.

При нормальной работе трансформатора эти силы не велики, однако в режиме короткого замыкания, которое сопровождается увеличением токов в обмотках в десятки раз по сравнению с номинальными токами, эти силы возрастают в сотни раз и способны привести к разрушению обмотки, к деформации или разрыву витков или к разрушению опорных конструкций.

Силы, действующие на обмотки трансформатора, как показано на рисунке 6, можно разделить на радиальные и осевые. Радиальные силы возникают в результате взаимодействия различных обмоток. Эти силы внешнюю обмотку растягивают, а внутреннюю — сжимают. Осевые силы возникают в результате взаимодействия элементов одной обмотки и сжимают обмотку в одном направлении. Как видно из рисунке 6, осевые силы зависят от взаимного расположения обмоток. Осевые силы оказывают давление на межкатушечную, межвитковую и опорную изоляцию обмотки, для которой должна быть обеспечена прочность на сжатие. Прочность металла проводов при сжатии в этом случае считается достаточной.



Рисунок 7 - Действие осевых и радиальных сил на обмотку двухобмоточного трансформатора


Рисунок 8 – Распределение сжимающих осевых сил

Радиальные силы, как уже отмечалось, оказывают различное воздействие на наружную и внутреннюю обмотки трансформатора. Они наиболее опасны для проводов внутренней обмотки, испытывающих сжатие и изгибающихся под действием радиальных сил в пролетах между рейками, на которых намотана обмотка.

Проверка обмоток на механическую прочность при коротком замыкании включает

а) определение наибольшего установившегося и наибольшего ударного тока;

б) определение механических сил взаимодействия между обмотками и их частями;

в) определение механических напряжений в изоляционных опорных и междукатушечных конструкциях и в проводах обмоток;

г) определение температуры обмоток при КЗ.

1. Действующее значение установившегося тока короткого замыкания для трансформаторов мощностью менее 1 МВА определяется по приближенной формуле, А,

А
А
2. Мгновенное максимальное значение ударного тока короткого замыкания, А,

А

А

где - коэффициент, учитывающий апериодическую составляющую тока

короткого замыкания:


З. Радиальная сила, действующая на обмотки НН, Н



4. Напряжение сжатия от радиальной силы во внутренней обмотке НН, МПа,

МПа
5. Осевая сила, Н,

Н
6. Конечная температура обмотки °С, через время с, после возникновения короткого замыкания:

НН:

⁰С

ВН:

⁰С
где - наибольшая продолжительность короткого замыкания на выводах масляного трансформатора, принимаемая при коротком замыкании на сторонах с номинальном напряжением 35 кВ и ниже 4°С;

- плотность тока при номинальной нагрузке,

- начальная температура обмотки, обычно принимаемая за 90°С.

Предельно допустимая температура обмоток при КЗ, установленная ГОСТ 11677-85, составляет для алюминия 200°С.

7. Время, в течение которого алюминиевая обмотка достигает температуры 200 ^оС.

НН:

с

ВН:

с

28. 
    
    
29. 
    
    
30. 
    
    
31. 
    ЗАКЛЮЧЕНИЕ
    

В курсовом проекте произведен расчет трехфазного силового двухобмоточного трансформатора ТМ-2500.

Приведен расчет диаметра стержня магнитопровода, высоты обмотки трансформатора, полный расчет обмоток, а так же расчет параметров и токов короткого замыкания. Рассчитана плоская магнитная система: число ступеней в сечении стержня и ярма, размеры пакетов, полные и активные сечения стержня и ярма, высота стержня и расстояние между осями стержней, полная масса магнитной системы и ее составляющих. Рассчитанный трансформатор соответствует предложенным параметрам с заданной точностью.

32. 
    
    
33. 
    
    
34. 
    
    
35. 
    
    
36. 
    
    
37. 
    
    
38. 
    
    
39. 
    
    
40. 
    
    
41. 
    
    
42. 
    
    
43. 
    
    
44. 
    
    
45. 
    
    
46. 
    СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
    

1. Копылов И.П. Электрические машины: Учеб. для вузов/ И.П.Копылов. – 3-е изд., испр. – М.: Высш. шк., 2002-607 с.

2. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов: Учеб. пособие для вузов/П.М.Тихомиров – 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 528 с.

3. Трамбицкий, А. В. Расчет трансформаторов / А.В. Трамбицкий. - М.: Книга по Требованию, 2012. - 382 c