Расчет трансформатора ТСЗ. ПЗ. Задание 73 На курсовое проектирование по дисциплине Электрические машины

• Название: Задание 73 На курсовое проектирование по дисциплине Электрические машины
• Анкор: Расчет трансформатора ТСЗ
• Дата: 24.06.2022
• Размер: 395.12 Kb.
• Имя файла: ПЗ.docx
• Тип: Документы; #613777

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра «Электротехника и транспортное электрооборудование»

ЗАДАНИЕ №73

На курсовое проектирование по дисциплине

««Электрические машины»»
Студенту гр.

Тема проекта «Расчет трехфазного сухого силового трансформатора типа ТС3»

Исходные данные на проектирование

S_н= 100 кВА

U_ВН= 3,15 кВ

U_НН= 0,23 кВ

U_k= 4,0 %

i_k= 2,6 %

P_k= 2,0 кВт

P₀= 0,35 кВт

- Группа соединения Y/Y

- материал обмоток: Al (алюминий)

- магнитопровод плоский шихтованный из холоднокатаной рулонной стали марки 3404 толщиной 0.3 мм;

- магнитопровод с креплением бандажами из стекловолокна свыше 0.22м;

- план шихтовки магнитной системы с косыми стыками в 4-х и прямыми в 2-х углах;

- технологию изготовления пластин со срезанием заусенцев после резки с

отжигом, изоляция пластин лаком;

- полуступенчатую форма ярма;

- технология сборки магнитной системы на горизонтальном столе с по- - следующей расшихтовкой верхнего ярма для установки катушек;

- плотность тока обмоток не более 1.8 А/мм²;

- конструкция катушек НН цилиндрическая двухслойная для ≤ 630 кВ∙А из прямоугольного провода;

- конструкция катушки ВН цилиндрическая многослойная из круглого - - провода для ≤ 630 кВ∙А;

- минимальная ширина канала между слоями обмоток 4 мм;

- индукция В_с в стержне магнитопровода 1.5 Тл;

- класс изоляции F.

1. 
   Расчетная часть:
   

1.1 Определение основных электрических величин (токов, рабочих напряжений, испытательных напряжений);

1.2 Определение основных размеров трансформатора (диаметр стержня, высота обмотки, изоляционные промежутки, предварительный тепловой расчет);

1.3 Расчет обмоток ВН и НН;

1.4 Определение параметров короткого замыкания;

1.5 Окончательный размер магнитопровода, определение параметров холостого хода;

2. Приложение к пояснительной записке

1. 
   Приложения А - чертеж, показывающий конструкцию обмоток;
   
2. 
   Приложение Б – чертеж, показывающий центральный пакет магнитопровода;
   

1. 
   Приложение В - чертеж, показывающий сечение ярма;
   
2. 
   Приложение Г - схема электрическая трансформатора;
   
3. 
   Приложение Д – чертеж, общий вид трансформатора.
   

Дата выдачи задания: __________________

Срок выполнения проекта: _____________

Даты защиты проекта: _________________

Руководитель

(подпись)

Студента ________________

(подпись)

Содержание

Кафедра «Электротехника и транспортное электрооборудование» 1

Введение 5

1 Расчетная часть 7

2 Расчет обмоток низшего напряжения 13

3 Расчет обмоток высшего напряжения 15

4 Расчет параметров короткого замыкания 19

5 Определение размеров магнитной системы и параметров холостого хода 21

Вывод 26

Введение

Трансформаторы – это наиболее распространённые 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, возникает магнитный поток, который намагничивает сердечник. Активная составляющая тока I определяется потерями, возникающими, в местах стали, при перемагничивании сердечника. Наибольшая часть потока Ф₁ сцеплённого с первичной обмоткой, сцеплена также со всеми обмотками фазы и является потоком взаимоиндукции между обмотками, или главным рабочим потоком Ф.
Другая часть полного потока 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.

В данном курсовом проекте основными задачами являются:

- систематизация и расширение объема знаний по электрическим машинам;

- получение навыков активного использования теоретических положений при решении практических задач;

- получение навыков работы с литературными, патентными и справочными материалами;

- получение навыков использования стандартов при оформлении материалов проекта.

1 Расчетная часть

1.1. Расчет основных электрических параметров.

1.1.1. Мощность одной фазы и стержня



где т=3 – число фаз;

c=3 – число стержней;

1.1.2 Фазные напряжения и токи

Сторона НН:

где U_Низ таблицы 1 для НН (при соединении «треугольник»):





Сторона ВН:

где U_Низ таблицы 1 для ВН (при соединении «звезду»):





Примечание: индекс 1 относится к стороне НН (ближняя к стержню), 2 к стороне ВН.

1.1.3 Активная и реактивная составляющая напряжения короткого замыкания, в %:




1.2. Выбор главной и продольной изоляции.

1.2.1. Испытательное напряжение промышленной частоты определяется таблицей 2 [1].

Испытательное напряжение обмотки НН:

Класс напряжения – 1кВ,

Испытательное напряжение обмотки ВН:

Класс напряжения – 6 кВ, .
1.2.2. Минимальные изоляционные расстояния обмотки ВН можно определить из табл. 3.

Таблица 3

UВН, кВ	Uисп для ВН, кВ	Размеры, мм
		ℓ02	а12	δ12	ℓп2	а22	δ22
3.15	16	45	22	4	25	25	3

Минимальные изоляционные расстояния обмотки НН можно определить из табл. 4.

Таблица 4

UНН, кВ	UИСП, кВ	Размеры, мм
		ℓ01	а01	δ01	ℓп1
до 1, 0	3	15	15	1, 0	1, 0

1.2.3. Межслойную изоляцию следует выполнять лакотканью ЛСБ – 120/130 толщиной 0, 15 мм из следующего расчета:

Рабочее напряжение Число

двух слоев обмотки, В слоев лакоткани

1000 ÷ 2000 3

2000 ÷ 3000 4

3000 ÷ 3500 5

Примечание: лакоткань должна выступать за край обмотки на 20 мм, при этом на краях укладывают по кольцу полосу электрокартона (толщина его должна быть равна ширине провода).

1.3. Определение основных размеров трансформатора

1.3.1. В таблице 5 приведены ориентировочно значения некоторых параметров и расчетных коэффициентов.

Таблица 5 - Сводная таблица параметров и расчетных коэффициентов

для сухого трансформатора (ориентировочно).

№ п/п	Мощность кВ∙А	160	Литерат. источник
1	d, м	0,14	Табл.2.6.
2	Число ступеней	6	-//-
3	Коэф. Kкр	0,92	-//-
4	Число каналов магнитопров.		-//-
5	Коэф. Kс	0,89	Прил. 2
7	Коэф. K (алюминий)	0,75	-//-
9	Коэф. β(алюминий)	1,6	-//-
12	Плотн. тока j, А/мм2 (алюм., обм. НН)	1,0	-//-
13	Плотн. тока j, А/мм2 (алюм, обм. ВН)	1,7	-//-
14	Коэф. Kд(сухой тр.)	0, 97	Примеч. к табл. 3, 6
15	Число реек для крепления обмотки	6	Стр. 225

Примечание:

1. Значение коэффициента K для алюминия принимают в 1.25 раза больше значения для меди.

При толщине листов стали 0,30мм коэффициент заполнения равен .

2. Общий коэффициент заполнения сталью K_с= K₃ ·K_кр, где значение:



1.3.2. Определение диаметр d стержня трансформатора из соотношения:



где – мощность, приходящаяся на один стержень,

– отношение длины витка к высоте обмотки,

– коэффициент Роговского, приложение 2,

=50 Гц – частота сети,

– реактивная составляющая ,

В_с=1.5 Т_л – магнитная индукция,

K_с – общий коэффициент заполнения. (см. табл. 5),

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

Рекомендуемое значение можно определить из таблицы 5. При уточнении руководствоваться следующим:

- увеличение приводит к увеличению и к некоторому росту P_K, так как при этом уменьшается высота обмотки, т.е. трансформатор будет более низким и более широким;

- уменьшение приводит к уменьшению и некоторому снижению P_K.

Расчет а_р выполняется по соотношению:

Ширина приведенного канала рассеивания:

;

где - размер канала между обмотками НН и ВН;

- суммарный приведенный радиальный размер обмоток.

Приведенная ширина обмоток НН и ВН определяется по следующей формуле:



где - коэффициент, зависящий от мощности, класса напряжения, материала обмотки, находится по табл. 5.

Тогда диаметр d стержня трансформатора из соотношения:



Полученное при расчете значение d′ округлить до ближайшего значения из нормализованного ряда диаметров.



1.3.3. Уточнить значение β для выбранного диаметра, повторив расчет по соотношению:



1.3.4. Определить средний диаметр витка D₁₂ (средний диаметр канала рассеяния) предварительно:



Определить средний диаметр обмотки НН:



Определить средний диаметр обмотки ВН:



1.3.5. Определить высоту обмоток ℓ’ предварительно



1.3.6. Определить активное сечение стержня (предварительно).

,

где K_кр =0.93– из табл. 5;K₃ = 0,965.



1.4. Предварительный расчет обмоток

1.4.1. Определить ЭДС витка предварительно



1.4.2. Определить число витков обмотки НН

, округлить до ближайшего целого числа.

;

Уточнить ЭДС витка после округления



Определить число витков обмотки ВН


2
16
.1.4.3. Разделить заданную мощность потерь короткого замыкания Р_к между обмотками НН и ВН пропорционально длине витка, что обеспечит примерно равную плотность тока:

- потери в обмотке НН



 – потери в обмотке ВН:



Определить площадь сечения провода обмоток НН и ВН:

;





где - удельное сопротивление материала обмотки (табл. 6).
Таблица 6

Материал	Значение при tраб, Ом/м
	75ºC	115ºC
Алюминий	34.4 · 10-9	38.8 · 10-9

Определить расчетную плотность тока

; .

1.4.4. Определить число реек по данным табл. 5.

Число реек = 8

1.5. Расчет обмоток (общие положения).

1.5.1. Определить плотность теплового потока обмоток (для 2-х охлаждающих поверхностей у каждой обмотки)

;



;



где - удельное сопротивление при t_раб (см.табл.6);

K_зп= 0, 85 – коэффициент закрытия поверхности.

2 Расчет обмоток низшего напряжения

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

П₁ = n_в1П_пр1,

где n_в1 – число параллельных проводов;

П_пр1 – площадь поперечного сечения одного проводника (П_пр1≈аb).

Эти соотношения позволяют найти размеры проводов а и b и число параллельных проводов n_в1.

Порядок расчета обмотки:

а) число витков в слое

W_сл1 = W₁/N_cл1 = W₁/2; N_cл = 2



б) высота витка



в) площадь поперечного сечения

П_пр1=П₁/n_в1=49,25/2=24,625 мм²

Примечание: с целью облегчения процесса намотки желательно выбирать размеры провода так, чтобы он наматывался плашмя.

В целях обеспечения механической прочности обмотки рекомендуется, чтобы n_в1≤ 6÷8 – при укладке проводов на ребро (а>b)

Провод принимает вид

;

При намотке на «ребро» должно выполняться условие:



Провод наматывается на «ребро», условия выбора провода выполняется:



г) определяются остальные размеры обмотки:







Внутренний диаметр обмотки НН:



Наружный диаметр обмотки НН:



д) масса металла обмотки без изоляции, кг,





где - плотность материала провода,

= 2700 кг/м³ для алюминия;



Масса проводов обмотки с изоляцией:



где K_из – коэффициент, определяемый по табл. 7.

Таблица 7 - Увеличение массы провода за счет изоляции 0, 45 ммна две стороны (K_из).

Размер bв мм	Материал	Размер а, мм
		2,8÷3,75
8÷18, 0	Аℓ	1,020

3 Расчет обмоток высшего напряжения

3.1. Выбор схемы регулирования напряжения проводится в соответствии с заданием на курсовое проектирование (табл. 1). В трансформаторах с регулированием напряжения на стороне ВН путем переключения ответвлений без возбуждения (ПБВ) должно предусматриваться изменение числа витков ОВН на ±2×2, 5 = ±5, 0% от номинального значения.

3.2. Расчет многослойной цилиндрической обмотки ВН из круглого провода. В многослойной цилиндрической обмотке из круглого провода параллельные провода в витке располагаются в осевом направлении; поэтому высота обмотки ℓ₂ = ℓ₁ не ограничивает выбора диаметра провода.

Рекомендуется следующий порядок расчета обмотки:

а) максимальное число витков обмотки ВН



Число витков на ответвлениях:

1^e (конец обмотки) 561,

2^e (U₂ = 1.0+2.5%) 548,

3^e (U₂ = 1.0) 534,

4^e (U₂ = 1.0 – 2.5%) 521,

5^e (U₂ = 1.0 - 5%) 507;

б) ориентировочная плотность тока

Ориентировочное сечение витка



в) выбор типа обмотки и схемы регулирования напряжения.

г) выбираем один провод нужного сечения диаметром d₂/d₂′.

Если одного провода недостаточно, можно взять n_в2 = 2÷3 так, чтобы

n_в2·П_пр2 = П′₂.

Записываем выбранный провод в виде , где - диаметр без изоляции, - диаметр с изоляцией.



д) число витков в слое ориентировочно



Округляем до целого числа .

е) число слоев ориентировочно



Округляется до ближайшего большего целого числа .

ж) рабочее напряжение двух слоев



По рабочему напряжению двух слоев выбирается число слоев и общая толщина кабельной бумаги

Таблица 8 - Нормальная междуслойная изоляция δ_мсл в многослойных цилиндрических обмотках

Суммарное рабочее напряжение двух слоев обмотки,В	Число слоев кабельной бумаги на толщину листов, мм	Выступ междуслойной изоляции на торцах обмотки (на одну сторону), мм
2000-3000	3х0,12	16

з) распределение витков по слоям:

При распределении витков по слоям учесть следующее:

• 
  верхний слой должен содержать все витки, от которых выполнены отводы, т.е. 10% ;
  
• 
  остальные витки распределить по остальным слоям, их число - 1, отсюда число витков в этих слоях - округлить до целого числа;
  

Радиальный размер обмотки с каналом:





и) определяем остальные размеры:

• 
  расчетная ширина канала между обмотками
  

• 
  внутренний диаметр обмотки ВН
  

• 
  наружный диаметр обмотки ВН
  

• 
  средний диаметр обмотки ВН
  

к) масса металла обмотки без изоляции, кг,



где - плотность материала провода,

= 2700 кг/м³ для алюминия;

с – число стержней (с=3)

4 Расчет параметров короткого замыкания

4.1. Определение потерь короткого замыкания. Потери короткого замыкания складываются из:

а) электрических потерь (основных и дополнительных) в обмотках НН и ВН;

б) электрических потерь в отводах обмоток.



Рисунок 4.1 - Схема электрическая одной фазы обмотки ВН.
Таким образом, общие потери в обмотках могут быть найдены из соотношений с учетом длины отводов:

- обмотка НН, Δ;



- обмотка ВН, Y;





4.2. Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания, % определяется по формуле



где β – полученное при расчете обмоток отношение,



А


ктивная составляющая напряжения короткого замыкания, %,



Расчет напряжения короткого замыкания. Напряжение короткого замыкания u_к% рассчитывается по формуле

5 Определение размеров магнитной системы и параметров холостого хода

5.1. Случай ярма ступенчатой формы. 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».

5.2. Определить ширину а_ОK и высоту ℓ_ОK окна для обмотки





.







5.3. Определить длину средней магнитной линии для следующих участков.

L_ст = 3ℓ_OK – продольная часть стержня;

L_я =d – продольная часть ярма;

L_n = 2L_я – плоские стыки;

L_кос = 4а_{ст, 1} – косые стыки.









5.4. В соответствии с табл. 5 выбрать число ступеней; составить чертеж стержня для выбранного числа ступеней, рассчитать по табл. по приложению 8 размеры пакетов и указать их на чертеже.

Таблица 9

Размеры пакетов a* b
115*18	105*11	90*10	75*8	60*6	40*4

Продольный участок стержней:





Косые стыки:



Прямые стыки:



Продольный участок ярма:





Масса:









5.5. Определить потери в стали магнитопровода и массу стали.





_Масса стали:



где р – удельные потери в стали (табл. 10),

g_ст = 7650 кг/м³ – удельная плотность холоднокатаной стали,

K₃ = 0, 965 – коэффициент заполнения ступеней,

- коэффициент увеличения потерь (табл. 11),

K_пд – коэффициент добавочных потерь (табл.15).

6.6. Определить намагничивающую мощность и ток холостого хода





где ; ; - масса участков

q_c – удельная намагничивающая мощность стали (табл. 14);

q_з – удельная намагничивающая мощность в зоне шихтованного стыка (табл.15);

– коэффициент, учитывающий резку листа стали:

=1,18 – для отожженной,

; – коэффициенты, учитывающие прохождение магнитного потока под углом в зоне стыков (≈45 для косых; ≈90 для прямых стыков, табл. 13);

– коэффициент, учитывающий перешихтовку ярма при окончательной сборке:

=1,01до 250 кВ∙А;

– коэффициент, учитывающий снятие заусенец и отжиг:

Не сняты заусенцы =1.02 при отжиге,

=6 – количество стыков;

П_c – площадь сечения стержня, м²;

- немагнитный зазор, м [ = 0.0002 м].

Таблица 10 - Удельные потери р, Вт/кг на продольных участках для холоднокатаной стали

В, Тл	Марка и толщина стали
	34040.3 мм
1,5	1.03

Таблица 11 - Коэффициент K_уп увеличения потерь на косых и прямых стыках

Стык	Kуп	3404 0.3 мм
Косой	K′уп	1.35
Прямой	K″уп	2.02

Таблица 12 - Коэффициент добавочных потерь в зоне стыка, K_пд вызванных заусенцами, резкой, наличием зазора

S, кВ∙А	до 250
Пластины отожжены	1.12

Таблица 13 - Значения коэффициента для стали 3404 и 3405 (0.3 и 0.35 мм)

В, Тл	1.5
(косой)	4.3
(прямой)	9.8

Таблица 14 - Полная удельная намагничивающая мощность q_cдля холоднокатаной стали, В·А/кг

В, Тл	34040.3мм
1.5	1.29

Таблица 15 - Намагничивающая мощность в зоне стыка, В∙А/м²

Вс, Тл	Сталь 3404
1.5	16600

Определить полный ток холостого хода I_1,0 и относительный ток i_o в%





6 Оценка результатов, выводы

6.1. Определить погрешность для основных параметров:

а) напряжение короткого замыкания

,



где - заданное значение ; - расчетное значение ;

б) потери короткого замыкания





в) потери холостого хода





г) ток холостого хода



.

Вывод

В результате расчета трехфазного сухого силового трансформатора типа ТС3, выбрана конструкция магнитопровода и главной изоляции, определили основные размеры, произвели расчет обмоток ВН и НН, определили параметры короткого замыкания, так же произвели оценку механических усилий при коротком замыкании, определили параметры холостого хода.

В результате работы определена взаимосвязь размеров трансформатора, свойств материалов и его технических и экономических параметров. Например, влияние выбора индукции в стержне напрямую влияет на результаты расчета, а в частности с увеличением индукции уменьшается диаметр стержня, следовательно, и масса стали и обмотки, что экономически выгодно. Однако увеличение индукции ведет к увеличению потерь и особенно тока холостого хода трансформатора. Массогабаритные показатели являлись удовлетворительными. Уменьшение потерь короткого замыкания достигается понижением плотности тока за счет увеличения массы металла в обмотках.

Так же получили навыки активного использования теоретических положений при решении практических задач, навыки работы с литературными, патентными и справочными электрическими материалами.

Список литературы

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

2
43
. Попов Д.А., Руднев В.Н. Электрические машины: – Задание на курсовой проект. – М.: Изд-во ВЗИИТа, 1987.- 36 с.

3.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.

4. Гончарук А.И. Расчет и конструирование трансформаторов. -М.: Энергоатомиздат, 1990. – 256 с.

5. Кацман М.М. Расчет и конструирование электрических машин. - М.: Энергоатомиздат, 1984. – 350 с.

Изм.

Лист.

№ докум.

Подп.

Дата

Разраб.

28.05

Расчет трехфазного трансформатора

Лит.

Лист

Листов

Пров.

28.05

Н.Контр.

Утв.