Курсовая работа по трехфазным трансформаторам. Электрические машины

• Название: Электрические машины
• Дата: 14.11.2018
• Размер: 1.96 Mb.
• Имя файла: Курсовая работа по трехфазным трансформаторам.doc
• Тип: Документы; #56402
• страница: 1 из 4

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

————————————

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Омский государственный технический университет»
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
Методические указания к выполнению курсовой работы

Омск
Издательство ОмГТУ
2014

1. Задание на проектирование
трехфазного трансформатора

1.1. Выбор базовой конструкции

Исходные данные для проектирования трехфазного трансформатора представлены в табл. 1 и 2. Выбор варианта задания производится по последним цифрам шифра зачетной книжки. Для всех вариантов принять высшее напряжение обмотки U_ВН = 35 кВ. Для четной последней цифры шифра (варианта) низкое напряжение обмотки U_НН = 6,0 кВ, для нечетной цифры U_НН = 10 кВ.

Таблица 1

Исходные данные на проектирование

Параметры проектирования	Обозначение параметра	Последняя цифра шифра в зачетной книжке
		1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
Номинальная мощность трансформатора типа ТМ, кВА	Sном	1000		1600		2500		4000		6300
Напряжение короткого замыкания, %	uк%	6,5		6,5		6,5		7,5		7,5
Потери холостого хода, Вт	P0ном	2100		2900		4100		5600		7600
Потери короткого замыкания, Вт	Pк ном	11 600		16 500		23 500		33 500		46 500
Ток холостого хода, %	i0%	1,4		1,3		1,0		0,9		0,8

Примечания. 1. Напряжение в задании указано линейное.

2. Потери и ток холостого хода приведены для ориентировочной оценки полученных в ходе расчета величин.

Таблица 2

Дополнительные требования

Условие	Предпоследняя цифра шифра в зачетной книжке
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
Материал обмоток	Cu	Al	Cu	Al	Cu	Al	Cu	Al	Cu	Al
Группы соединения	Y/Д-11		Д/Y-11		Y/Y-0		Y/Д-5		Д/Y-5

Примечания. 1. В обозначениях группы соединения на первом месте всегда указывается схема соединения обмоток высокого напряжения (ВН), а на втором – низкого напряжения (НН) независимо от нумерации обмоток в ходе расчета.

2. Приняты следующие условные обозначения схем соединения обмоток: Y – звезда, Д – треугольник.

1.2. Объем и содержание курсовой работы

Курсовая работа выполняется в объеме:

Общая часть

1. Пути развития отечественного трансформаторостроения.

Расчетная часть

1. Расчет основных электрических величин трансформатора.

2. Выбор изоляционных расстояний и расчет основных размеров.

3. Выбор конструкции и расчет обмоток НН и ВН трансформатора.

4. Расчет потерь короткого замыкания.

5. Расчет магнитной системы и характеристик холостого хода.

6. Определение КПД трансформатора.

7. Тепловой расчет трансформатора.

8. Расчет массы трансформатора.

В качестве справочного материала использовать данные, приведенные в Приложении.

1.3. Базовая конструкция
примера выполнения задания

Цель задания: Спроектировать трансформатор ТМ-6300/35 – трехфазный двухобмоточный трансформатор с естественным масляным охлаждением, регулирование напряжения при отключенной нагрузке.

Исходные данные для расчета.

1. Номинальная мощность трансформатора S_ном = 6300 кВ∙А.

2. Номинальное напряжение обмотки высокого напряжения U_ВН = 35 ± ± (2 ∙ 2,5 %) кВ.

3. Номинальное напряжение обмотки низкого напряжения U_НН = 10,5 кВ.

4. Схема и группа соединения обмоток У/Д-11.

5. Частота сети f = 50 Гц.

6. Потери короткого замыкания P_{к ном} = 46 500 Вт.

7. Потери холостого хода P_0ном = 7600 Вт.

8. Напряжение короткого замыкания u_к% = 7,5 %.

9. Ток холостого хода i_0% = 0,9 %.

2. Общая часть

2.1. Пути развития
отечественного трансформаторостроения

Пути развития отечественного трансформаторостроения и характеристики основных узлов проектируемого трансформатора студенты излагают, используя учебную и периодическую литературу объемом две-три страницы. …..

3. Расчетная часть
3.1. Расчет основных электрических величин
трансформатора
Номинальные линейные токи при любой схеме соединения

,

где S_ном – номинальная мощность по заданию, кВ∙А;

U_н – номинальное линейное напряжение по заданию, кВ;

i – номер обмотки (высокое напряжение – ВН; низкое напряжение – НН).

Тогда номинальные линейные токи

; .

Фазные токи при соединении «звезда» (ВН) равны линейным:

,

при соединении «треугольник» (НН)

.

Фазные напряжения при соединении «звезда» (ВН)


при соединении «треугольник» (НН) равны линейным:



Активная составляющая напряжения к. з.



где P_к – потери к. з. по заданию, Вт.

Реактивная составляющая напряжения к. з.



где u_к% – напряжение к. з. по заданию, %.

3.2. Выбор изоляционных расстояний
и расчет основных размеров трансформатора

Испытательные напряжения определяем по табл. П1: для обмотки ВН U_испВН = 85 кВ, для обмотки НН U_испНН = 35 кВ.

Для испытательного напряжения обмотки ВН U_испВН = 85 кВ по табл. П2, а для испытательного напряжения обмотки НН U_испНН = 35 кВ по табл. П3, находим изоляционные расстояния (cм. рис. П1):

a₁₂ = 2,7 см – осевой канал между обмотками НН и ВН одной фазы;

h₀₂ = h₀₁ = 7,5 см – расстояние от обмоток до ярма исходя из требова­ний равенства высот обмоток НН и ВН;

a₂₂ = 3 см – расстояние между обмотками ВН и ВН соседних фаз;

a₀₁ = l,75 см – расстояние от стержня до обмотки HH.

Для изготовления сердечников серийных трансформаторов обычно при­меняют холоднокатаную текстурованную сталь марок 3404–3408 толщиной 0,27–0,35 мм (табл. П4), обладающую низкими или особо низкими удельными потерями и повышенной магнитной проницаемостью, позволяющей повысить индукцию в сердечнике до B_с = 1,55÷1,65 Тл с жаростойким покрытием с отжигом. Для магнитопровода проектируемого трансформатора выбираем холоднокатаную текстурованную сталь марки 3405 толщиной 0,3 мм (принять для всех вариантов задания).

Расчет основных размеров трансформаторов проводим в соответствии с рис. П2, а.

Диаметр D₀ окружности, в которую вписано ступенчатое сечение стерж­ня, является первым основным размером трансформатора. Вторым основным размером трансформатора является осевой размер H₀ ‒ высота его обмоток. Обычно обе обмотки трансформатора имеют одинаковую высоту h₀₂ = h₀₁. В случае различия в высоте за размер H₀ принимают их среднее арифметическое значение. Третьим основным размером трансформатора является средний диаметр витка двух обмоток, или диаметр осевого канала между обмотками D₁₂, связывающий диаметр стержня с радиальными размерами обмоток a₁ и a₂ и осевого канала между ними a₁₂.

Определяем диаметр стержня (первый основной размер трансформатора):



где S′ – мощность одной фазы, которая определяется по формуле



a_p– ширина приведенного канала рассеяния трансформатора, определяется по формуле a_p = a₁₂ + (a₁ + a₂) / 3. Размер (a₁ + a₂) / 3 предварительно определяют по формуле (a₁ + a₂) / 3 = k_кр где k_кр – коэффициент канала рассеяния, принимается равным 0,6 (рекомендован для силовых трансфор­маторов). Тогда k_кр = 0,6 ∙ = 4,1. Окончательно



β = 1,2 – соотношение между шириной и высотой трансформатора для разных мощностей (определяется по табл. П5), при этом меньшим значениям для одинаковых мощностей соответствуют трансформаторы, относительно узкие и высокие, большим – широкие и низкие (рис. П2, б);

k_р– коэффициент приведения идеального поля рассеяния к реальному полю (коэффициент Роговского), при определении основных размеров можно принять равным 0,95;

u_p% = 7,46 % – реактивная составляющая напряжения к. з.;

B_с= 1,65 Тл – магнитная индукция холоднокатаной текстурованной ста­ли марки 3405 толщиной 0,3 мм для масляных трансформаторов (табл. П6);

k_с – коэффициент заполнения сталью (предварительно можно принять равным 0,9).

Подставив указанные параметры, определяем диаметр стержня:

см.

Из нормализованной шкалы (см. ниже) берем ближайшее значение нор­мализованного диаметра d₀ = 34 см.

Нормализованная шкала содержит следующие диаметры , см:

– для магнитных систем без поперечных каналов: 8; 9; 10; 11; 12,5; 14; 16; 18; 20; 22; 24; 26; 28; 30; 32; 34; 36; 38; 40; 42; 45; 48; 50; 53; 56; 60; 63; 67; 71; 75;

– для магнитных систем, имеющих поперечные каналы: 80; 85; 90; 95; 100; 1003; 106; 109; 112; 115; 118; 122; 125; 132; 136; 140; 145; 150.

Площадь полного поперечного сечения фигуры стержня П_фс определится по формуле

,

где k_кс – коэффициент, учитывающий наличие охлаждающих каналов в сечении стержня. Для масляных трансформаторов мощностью 6300 кВ∙А с прессующей (принять для всех вариантов) пластиной для ориентировочного диаметра d₀ = 34 см с числом ступеней в сечении стержня 8 (рис. П3) принимается равным 0,912 (табл. П7).

Тогда площадь поперечного сечения ступенчатой фигуры стержня рассчитывается как



Определяем ЭДС витка:

= ,

где П_с – активное сечение стержня, которое определяется по формуле



где k_з – коэффициент заполнения для холоднокатаной текстурованной стали марки 3405 толщиной 0,3 мм, для всех вариантов принимается равным 0,96 (табл. П4).

Определяем ориентировочную высоту обмоток (второй основной раз­мер трансформатора):

=

где D₁₂ – средний диаметр между обмотками (третий основной размер транс­форматора), может быть приближенно определен по формуле

47,6 см,

где  = 1,4÷1,45 для алюминиевого провода,  = 1,3÷1,35 для медного провода.

Для расчета предлагаются два варианта конструкции плоской магнитной системы: с четырьмя косыми стыками по углам, двумя прямыми в ярме и одним прямым в стержне (рис. П4, а); с шестью косыми стыками и дву­мя прямыми в ярме (рис. П4, б). Принимаем (для всех вариантов) для даль­нейшего рассмотрения вариант с четырьмя косыми стыками по углам, дву­мя прямыми в ярме и одним прямым в стержне, поскольку в сердечниках, собираемых из холоднокатаной текстурованной стали, такой способ сборки способствует снижению потерь в зонах сопряжения стержней и ярм.

3.3. Выбор конструкции и расчет обмоток

Конструкция (тип) обмотки определяется рядом параметров: током, напряжением, сечением витка, числом витков и т. п. Для заданного ряда мощностей и напряжений ориентировочно тип обмотки можно выбрать по данным табл. П8 и П10.

Обмотки одно- или двухслойные и винтовые используются только на стороне НН, многослойные из круглого провода, как правило, – на стороне ВН, катушечные из прямоугольного провода могут быть использованы на любой стороне трансформатора.

Многослойная обмотка из круглого провода наиболее проста в изгото­влении, однако имеет наихудшие условия охлаждения. Обмотка из прямоугольного провода имеет более лучшие условия охлаждения, проста в изготовлении и в связи с этим широко используется в практике трансфор­маторостроения. Катушечная обмотка является наиболее универсальной, достаточно простой и хорошо охлаждаемой. Поэтому для дальнейшего рас­смотрения выбираем обмотку непрерывную катушечную из прямоугольного провода (принять для всех вариантов).

Катушкой называется группа последовательно соединенных витков об­мотки, конструктивно объединенная и отделенная от других таких же групп или от других обмоток трансформатора. Следовательно, каждая обмотка может состоять из одной, двух, нескольких или многих катушек.

Во всех типах обмоток принято различать осевое и радиальное направ­ления. Осевым считается направление, параллельное оси стержня трансформатора, на который насаживается данная обмотка. Радиальным считается направление любого радиуса окружности обмотки. В этом смысле принято говорить также об осевых и о радиальных каналах (рис. П5).

Расчет обмоток проводим в следующей последовательности.

1. Расчет обмотки НН.

Число витков на одну фазу обмотки НН определяется по формуле

,

где U_фНН  фазное напряжение НН;

u_в  ЭДС одного витка.

Тогда число витков на одну фазу обмотки НН составит

= 10500 / 29,16 = 360 витков (округляем до целого числа).

Уточняем ЭДС одного витка:

= 10 500 / 360 = 29,17 В.

Действительная индукция в стержне уточняется по формуле

= = 1,65 Тл.

Ориентировочное сечение витка НН определяется как

= 200 / 1,8 = 111 мм²,

где J  средняя плотность тока в обмотках, равная 1,8 А/мм² (по табл. П9 для алюминиевого провода).

К этому сечению витка по сортаменту обмоточного провода (табл. П11) подбираются число параллельных прямоугольных проводов, обычно равное 2 (не более 4–6), и подходящие сечения прямоугольного провода. По табл. П11 выбираем провод с номинальными размерами по стороне а и сто­роне b с изоляцией на две стороны 0,5 мм (см. рис. П6).

Подобранные размеры провода записываются следующим образом:

Марка провода × Число параллельных проводов ×
× ;

АПБ ∙ n_пр ∙ = 2 ∙ = 2 ∙ 56,25 = 112,5 мм²,

где АПБ – марка алюминиевого (круглого и прямоугольного сечения) провода (медные провода имеют марку ПБ);

n_пр – число проводников в витке, которое подобрано из расчета, что их суммарное сечение должно быть близким к рассчитанному (111 мм²), т. е. по табл. П11 подбираем два провода в витке НН с сечением каждого провода 111 / 2 = 55,5 мм², ближайшее будет 56,25 мм².

Следовательно, реальное сечение витка из двух параллельных проводов НН принимается равным

= 2 ∙ 56,5 = 112,5 мм².

Уточняем плотность тока:

= 200 / 112,5 = 1,777 А/мм².

Число катушек на одном стержне определяем по формуле

,

где h_канНН – осевой размер (высота) канала (в трансформаторах мощностью от 160 до 6300 кВ∙А и рабочим напряжением не более 35 кВ колеблется от 0,4 до 0,6). Принимаем h_канНН = 0,4 см, тогда

.

Принимаем n_катНН = 60, тогда число витков в катушках НН (округляем до целого числа) составит



Определяем высоту обмотки НН:

=
= = 123 см,

где k_у – коэффициент, учитывающий усадку изоляции после сушки и опрес­совки обмотки, принимается равным 0,94÷0,96 (принимаем равным 0,95).

Определяем радиальный размер обмотки:

= 0,405 ∙ 2 ∙ 6 = 4,86 см.

Внутренний диаметр обмотки:

см.

Наружный диаметр обмотки:

см.

2. Расчет обмотки ВН.

Число витков при номинальном напряжении на одну фазу обмотки ВН:



Обычно ступени регулирования напряжения делаются равными между собой. В этом случае число витков обмотки на одной ступени регулирования составит

= 2,5 ∙ 693 / 100 = 17,325,

где 2,5 – процентная ступень регулирования.

Принимаем _р = 17 витков.

Обычно ответвления для регулирования напряжения выполняют от на­ружных витков обмотки ВН. Для трансформаторов типа ТМ обычно применяется регулирование напряжения без возбуждения (ПБВ).

Число витков на ответвлениях на верхних ступенях:





Число витков на номинальное напряжение _номВН = 693.

Число витков на ответвлениях на нижних ступенях:

;

.

Ориентировочная плотность тока:

= 2 ∙ 1,8 ‒ 1,777 = 1,823 А/мм².

Ориентировочное сечение витка:

= 104 / 1,823 = 57,04 мм².

По полученному сечению витка (см. табл. П11) подбираем число и реальное сечение провода ВН:



где АПБ – марка провода;

n_пр – число проводников в витке ВН, по табл. П10 принимаем равным 1, т. е. один провод в витке ВН, так как самое близкое к расчетному значению 57,04 мм².

Следовательно, реальное сечение витка ВН принимается равным

= 56,25 мм².

Уточняем плотность тока:

= 104 / 56,25 = 1,849 А/мм².

Таким образом, получили унифицированный провод, т. е. один и тот же в обеих обмотках НН и ВН, поэтому и число катушек ВН в первом прибли­жении примем равным числу катушек НН, т. е. n_катВН = 60. Если в дальней­шем при расчете высоты обмотки ВН H_0ВН окажется, что этот размер силь­но отличается от высоты обмотки НН H_0НН, следует изменить число катушек ВН n_катВН, но в любом случае число должно быть четным, чтобы была возможность симметричного регулирования напряжения как в сторону повышения напряжения, так и в сторону его снижения. При незначительных расхождениях в высотах обмоток ВН и НН следует принять высоту обмоток, равной среднему из высот ВН и НН.

Обычно в обмотке ВН выделяют регулировочную часть (иногда в виде отдельной обмотки) и разделяют на ряд ступеней с необходимым числом витков, концы которых выводят с помощью ответвлений (катушечные обмотки).

Тогда из расчета, что число витков на одной ступени регулирования равно 17, предусматриваем на каждую ступень регулирования по две катушки с числом витков в каждой по 8,5. Поэтому регулировочных катушек будет (2 кат. × 4 отв.) = 8 катушек. Следовательно, основных катушек будет 60 – 8 = 52 (рис. П7).

Число витков в основных катушках ВН (округляем до целого):

= 693 / 52 = 13.

Определяем высоту обмотки ВН:

=
= 1,65 ∙ 60 + 0,94 ∙ [0,4 ∙ (60 ‒ 2) + 1,5] = 123 см,

где h_{кан ВН}  осевой размер (высота) канала (в трансформаторах мощностью от 160 до 6300 кВ∙А и рабочим напряжением не более 35 кВ колеблется от 0,4 до 0,6), принимаем 0,4 см;

h_{кан р}  высота канала в месте разрыва обмотки и размещения регулировочных витков, выбирается по изоляционным соображениям и рекомендуется принять равной 1,5 см;

k_у – коэффициент, учитывающий усадку изоляции после сушки и опрес­совки обмотки, принимается равным 0,94÷0,96 (принимаем равным 0,94).

Как видим, высота обмотки ВН совпадает с высотой обмотки НН:

= = = 123 см.

Следовательно, число катушек ВН не изменяем и принимаем равным n_катВН = 60.

Определяем радиальный размер обмотки:

= 4,05∙1∙13 = 5,27 см.

Внутренний диаметр обмотки:

см.

Наружный диаметр обмотки:

см.