КУРСОВАЯ. Задача курсового проекта по расчетным данным спроектировать двухобмоточный трехфазный трансформатор
![]()
|
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. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ТРАНСФОРМАТОРАМощность одной фазы, кВA ![]() где m- число фаз, m = 3. 2. Мощность на один стержень, кВA ![]() где с - число активных стержней, несущих обмотки трансформатора. Для силовых масляных трехфазных трансформаторов с = m = 3. 3. Номинальный линейный ток обмотки низкого напряжения, А ![]() 4. Номинальный линейный ток обмотки высокого напряжения, А ![]() 5. Номинальные фазные токи и напряжения обмотки низкого напряжения: 5.1 При соединении обмотки в треугольник ![]() ![]() 6. Номинальные фазные токи и напряжения обмотки высокого напряжения: 6.1 При соединении обмотки в звезду ![]() ![]() 7. Активная составляющая напряжения короткого замыкания, % ![]() 8. Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания, % ![]() 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ТРАНСФОРМАТОРА2.1 Выбор конструктивной схемы магнитной системы, марки стали и толщины листов, технологии изготовленияДиаметр ![]() ![]() Расчет и выбор величин, входящих в формулу: 1. Мощность обмоток одного стержня трансформатора, кВа ![]() Ширина приведенного канала рассеяния трансформатора, см ![]() ![]() Размер ![]() Суммарный приведенный размер обмоток ВН и НН ![]() ![]() ![]() З. Значение ![]() ![]() ![]() ![]() 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. ![]() 8. ![]() ![]() ![]() ![]() где ![]() ![]() ![]() Полученное значение диаметра стержня ![]() ![]() Второй основной размер трансформатора — средний диаметр канала между обмотками ![]() Второй основной размер трансформатора — средний диаметр канала между обмотками ![]() ![]() ![]() ![]() Радиальные размеры осевых каналов ![]() ![]() Третий основной размер трансформатора — высота обмоток определяется по формуле ![]() где ![]() После расчета основных размеров трансформатора определяется активное сечение стержня, т.е. чистое сечение стали, ![]() ![]() ЭДС одного витка, В ![]() 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. 2.3 Выбор конструкции и определение размеров основных изоляционных промежутков главной изоляции обмоток представлен на рисунке 3![]() Рисунок 3 – Главная изоляция обмоток 2.4 Определение основных размеров трансформатора представлены на рисунке 2![]() Рисунок 2 – Основные размеры трансформатора ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ ОБМОТОК ТРАНСФОРМАТОРА3.1 Общие вопросы расчёта обмотокОсновные критерии выбора типа обмотки — номинальный фазный ток, мощность трансформатора ![]() ![]() ![]() Для расчета поперечного сечения витков обмотки ВН и НН необходимо определить среднюю плотность тока в обмотках, А / ![]() ![]() где ![]() ![]() 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. 3.2 Расчёт обмоток низкого напряжения трансформатораЧисло витков на фазу обмотки ![]() Полученное значение ![]() ![]() ![]() ![]() Действительная индукция в стержне, Тл ![]() где ![]() 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; ![]() ![]() Толщина изоляции ![]() Полное сечение витка, мм2 ![]() где ![]() Уточненная плотность тока обмотки НН, значение которой применяется в дальнейших расчетах, ![]() ![]() Предварительная высота обмотки с учетом зазора под ярмо ![]() Предварительное число катушек ![]() Округляем до ближайшего целого четного числа ![]() Предварительное число витков в катушке ![]() Округляем до ближайшего целого числа ![]() Окончательная высота обмотки НН ![]() ![]() Коэффициент ![]() Радиальный размер обмотки, см ![]() Внутренний диаметр обмотки, см, ![]() ![]() Наружный диаметр обмотки, см, ![]() Поверхность охлаждения обмотки, м2 ![]() ![]() ![]() Рисунок 4 – Эскиз витка обмотки НН 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 ![]() По предварительному сечению ![]() ![]() где АПБ – марка провода; 1- число параллельных проводов; ![]() ![]() Полное сечение нитка, ![]() ![]() где ![]() 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 ![]() ![]() Коэффициент ![]() опрессовки обмотки и принимаем равным 0,94. Радиальный размер обмотки, см ![]() Внутренний диаметр обмотки, см, ![]() ![]() Наружный диаметр обмотки, см, ![]() Расстояние между осями соседних стержней ![]() Поверхность охлаждения обмотки, м2 ![]() ![]() По испытательному напряжению ![]() а) размеры канала между обмотками НН и ВН ![]() б) толщину цилиндра между обмотками ![]() в) величину выступа цилиндра за высоту обмотки ![]() г) минимальное расстояние между обмотками ВН соседних стержней ![]() д) расстояние обмотки ВН от ярма ![]() ![]() Рисунок 6 – Эскиз витка обмотки ВН 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ 4.1 Определение потерь короткого замыкания 1) Масса обмотки НН, кг, ![]() 2) Масса обмотки ВН, 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, ![]() 5) Электрические потери в обмотке высокого напряжения с учетом добавочных потерь, Вт, ![]() 6) Плотность теплового потока обмотки НН (потери в обмотке НН, отнесенные к единице охлаждаемой поверхности), ![]() ![]() 7) Плотность теплового потока обмотки ВН, ![]() ![]() 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: ![]() при соединении ВН-У: ![]() в) масса металла проводов отводов, кг, НН: ![]() ВН: ![]() г) электрические потери в отводах ![]() ![]() 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. ![]() 10. Полные потери короткого замыкания, Вт, ![]() ![]() Отношением ![]() ![]() 4.2 Расчёт напряжения короткого замыкания Напряжение короткого замыкания Uk% может отличаться от заданного значения не более ![]() 1. Активная составляющая напряжения короткого замыкания, % ![]() 2. Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания, %, ![]() ![]() ![]() ![]() 3. Напряжение короткого замыкания трансформатора, % ![]() Определяется отношение ![]() Отклонение расчётного значения ![]() ![]() 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 ![]() ![]() ![]() 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, ![]() ![]() 2. Мгновенное максимальное значение ударного тока короткого замыкания, А, ![]() ![]() где ![]() короткого замыкания: ![]() З. Радиальная сила, действующая на обмотки НН, Н ![]() 4. Напряжение сжатия от радиальной силы во внутренней обмотке НН, МПа, ![]() 5. Осевая сила, Н, ![]() 6. Конечная температура обмотки ![]() ![]() НН: ![]() ВН: ![]() где ![]() ![]() ![]() ![]() 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: ![]() ВН: ![]() 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. 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 |