Исходные данные для проектирования

• Название: Исходные данные для проектирования
• Дата: 07.11.2020
• Размер: 240.34 Kb.
• Имя файла: bestreferat-209233.docx
• Тип: Документы; #148577

Введение
Известно, что наибольшее распространение в трансформатостроении получили силовые трансформаторы со стержневыми магнитопроводами, как наиболее простые и удобные в конструктивном отношении по сравнению с трансформаторами броневого типа. Трансформаторы броневого типа в России в основном используются в маломощных радиотехнических установках. Трансформатор со стержневым магнитопроводом обладает лучшими условиями охлаждения обмоток и сердечника, доступностью осмотра обмоток при ревизии трансформатора, простотой сборки и ремонта сердечника и т.д. [1].

В курсовой работе в краткой форме произведен расчет силового трансформатора без подробного рассмотрения ряда второстепенных деталей и узлов имеющих значение при заводском проектировании. Однако это дает возможность овладеть основами расчета трансформаторов.
Исходные данные для проектирования

Номинальная мощность трансформатора……….	S = 400 кВА
Число фаз………………………………	m =3
Частота сети…………………………….	f=50 Гц
Режим работы трансформатора………………	продолжительный
Номинальное высшее линейное напряжение…….	UВН = 10000 В
Номинальное низшее линейное напряжение…….	UНН = 515 В
Схема и группа соединения обмоток………….	Y/Y – 12
Способ охлаждения трансформатора………….	естественное масляное
Напряжение короткого замыкания…………….	uк = 4,5%
Потери короткого замыкания……………….	Рк = 3000 Вт
Потери холостого хода…………………….	Ро = 1500 Вт
Ток холостого хода………………………. Материал обмоток……………………….	io = 4,9% алюминий

Обозначим, для краткости, первичную обмотку трансформатора –1, а вторичную – 2.

1 Основные электрические величины
Номинальные фазные напряжения (при этом принимаем во внимание, что при схеме звезда):


В.
Номинальные токи. При схеме «звезда» I_ф = I_л




т.о. I₁ = I_1ф = 448,4 А; I₂ = I_2ф = 23,1 А
2. Определение основных размеров трансформатора
Данные для расчета:

• 
  металл провода обмоток – алюминий;
  
• 
  марка стали сердечника – 3411 (Э310);
  
• 
  толщина листов стали – 0,35 мм;
  
• 
  удельные потери в стали р₁₀= 1,75 Вт/кг;
  
• 
  магнитная индукция в стержнях В_с=1,6 Тл;
  
• 
  средняя плотность тока в обмотках j= 2 А/мм²;
  

Отношение веса стали к весу металла обмоток
,
где p_м– удельные потери в металле обмоток для алюминия p_м=12,75 Вт/кг.

ЭДС на один виток
В/виток.
где С₀ – коэффициент определяемый формой катушек, материалом. При трехслойной конструкции, алюминий, круглая форма катушек

С₀ = 0,14…0,21 [4]. Примем С₀ =0,17.

Число витков в обмотке 1
виток;
Число витков в обмотке 2
витков.
Уточненное значение ЭДС на виток
В/виток

Площадь поперечного сечения стали стержня сердечника

см²;


Рисунок 2.1 Ступенчатая форма поперечного сечения стержня трансформатора
Число ступеней стержня сердечника n=6; [4]

Число каналов в сердечнике – сердечник без каналов;

Коэффициент заполнения площади описанного круга площадью ступенчатой фигуры k_кр=0,935 [4];

Изоляция стали – бумага;

Коэффициент заполнения ступенчатой фигуры сталью f_с=0,92 [4];

Диаметр круга, описанного вокруг стержня сердечника
см.
Номинальная мощность обмотки 1 на стержень сердечника
кВА;
где с – число фаз.

Номинальное напряжение обмотки 1 на стержень сердечника
В;
Номинальный ток обмотки 1 на стержень сердечника
А;
Число витков обмотки 1 на стержень сердечника
виток;
Предварительная площадь поперечного сечения провода обмотки 1
мм²;
Тип обмотки 1 – цилиндрическая двухслойная из провода прямоугольного сечения [2];

Номинальная полная мощность обмотки 2 на стержень сердечника
кВА;
Номинальное напряжение обмотки 2 на стержень
В;
Номинальный ток обмотки 2
А;
Число витков обмотки 2 на стержень
витков;
Предварительная площадь поперечного сечения провода обмотки 2
мм²;
Тип обмотки 2 – многослойная цилиндрическая из провода круглого сечения [2].

Испытательное напряжение обмотки 1

кВ; [4]

Испытательное напряжение обмотки 2

кВ; [4]

Изоляционный цилиндр между обмоткой 1 и сердечником δ_цо не предусматривается;

Полное расстояние между обмоткой 1 и стержнем сердечника

δ_о=0,9 см; [4]

Расстояние между обмоткой и ярмом

l_о=3 см;

Толщина изоляционного цилиндра в промежутке между обмотками 1 и 2

δ_ц12=0,3 см;

Толщина каждого из двух вертикальных каналов

а_к12=0,5 см;

Полное расстояние между обмотками 1 и 2
δ₁₂=2^.а_к12+δ_ц12=2^.0,5+0,3=1,3 см;
Предварительная радиальная толщина обмотки 1 из алюминиевого провода при мощности одного стержня от 50 до 500 кВт δ₁= 3,6…4,4, принимаем δ₁=4 см [4].

Предварительная радиальная толщина обмотки 2 при предыдущих мощностях δ₂= 2,5…3, принимаем δ₂=2,7 см [4].

Предварительное приведенное расстояние между обмотками
см.
Средний диаметр обмотки 1
см;
Средний диаметр обмотки 2
см;
Средняя длина витка обмоток
см.

Активная составляющая напряжения короткого замыкания
;
Индуктивная составляющая напряжения короткого замыкания
;
Высота обмоток по оси стержня сердечника
см;
где К_р= 0,95…0,97 – коэффициент учитывающий переход от средней длины магнитных линий потоков рассеяния к действительной высоте обмоток по оси стержня [4].


Рисунок 2.3 Предварительный эскиз расположения обмоток в окне трансформатора

Высота окна сердечника
см.
Отношение высоты окна сердечника к диаметру стержня сердечника
,
При обмотках из алюминиевого провода в трансформаторах с масляным охлаждением l_c/D₀=4,2…5,2 [4]
3. Расчет обмоток трансформатора
Уточнение средней плотности тока в обмотках
А/мм².
где k_м– коэффициент учитывающий потери в отводах и потери от потоков рассеяния в баке трансформатора. k_м=0.96…0,92 [4].

γ_м – удельный вес алюминия, γ_м=2,7 кг/см³.

Предварительная удельная тепловая загрузка поверхности обмотки 1

q – количество теплоты переданное маслом охлаждающей поверхности, q₁≤ 700…900 – при цилиндрической, винтовой обмотке из алюминия, режим продолжительный. Принимаем q₁=700 Вт/м²;

Предварительная удельная тепловая загрузка поверхности обмотки 2

q₂≤500…700 – при многослойной обмотке из алюминия, с проводом круглого сечения. Принимаем q₁=500 Вт/м² [4].

4. Расчет цилиндрической обмотки 1 из провода прямоугольного сечения
Предварительная плотность тока в обмотке 1
А/мм²;
Площадь поперечного сечения провода обмотки 1
мм².
Цилиндрическая обмотка 1 из провода прямоугольного сечения может иметь один или два слоя, принимаем число слоев n_в1=2.

Число витков в слое
витков;
Предварительная высота витка вдоль стержня сердечника
см;
Число цилиндрических поверхностей охлаждения обмотки


где k_п≈0,75 – коэффициент частичного закрытия поверхности обмотки рейками, образующие вертикальные каналы, принимаем [5].

Окончательно по табл. 5–3 [4] принимаются следующие размеры провода
мм
где а₁ – большая сторона сечения провода;

b₁ – меньшая сторона сечения провода;

δ_u – нормальная изоляция провода, для провода марки ПББО δ_u = 0,45 [4];

– число параллельных проводов.

Площадь поперечного сечения провода
= мм²;
где S_м1к – площадь поперечного сечения провода обмотки 1

Плотность тока в обмотке 1
А/мм²;
Толщина витка вдоль стержня сердечника
см;

где b_1мк – осевая толщина m – ного изолированного параллельного провода.

Удельная тепловая загрузка поверхности обмотки 1
Вт/м²;
Радиальная толщина витка
см.

a_u1 = a₁ + δ_u
Высота обмотки 1 вдоль стержня сердечника
см;
Радиальная толщина вертикального канала между двумя слоями обмотки 1. Для масляных трансформаторов.

а_к=0,6 см;

Радиальная толщина обмотки 1
см.
Средний диаметр обмотки 1
см;
Средняя длина витка обмотки 1
см;
Вес металла обмотки 1
кг,
где г/cм³ – удельный вес обмоточного провода [6].

Потери в обмотке 1 без учета добавочных потерь
Вт;
Сумма толщин всех проводов без изоляции обмотки 1 вдоль стержня
см;
Полное число проводов обмотки 1 вдоль радиуса
;
Коэффициент увеличения потерь в обмотке 1 от поверхностного эффекта

где ρ – удельное сопротивление алюминия при 75 ºC, ρ =0,034 Ом·м;
;
Потери в обмотке 1 с учетом добавочных потерь
Вт.
5. Расчет многослойной цилиндрической обмотки 2 из провода круглого сечения
Плотность тока в обмотке 2
А/мм²;
Площадь поперечного сечения провода обмотки 2
мм².
Число параллельных проводов в обмотке 2

;

Диаметр голого и изолированного провода (таблица 5–1) [4]
мм;
Марка провода – АПБ;

Площадь поперечного сечения провода обмотки 2
мм²;
где – площадь поперечного сечения изолированного провода

Плотность тока в обмотке 2
А/мм²;
Расчетный диаметр изолированного провода обмотки 2 с учетом неплотности намотки
см;
Толщина витка вдоль стержня сердечника
см;
Число витков в одном слое обмотки

Число слоев обмотки 2
,
что нежелательно; принимаем ;

Окончательное число витков в слое

,

т.е. 10 слоев по 77 витков и 1 слой из 28 витков, т.е. всего витков.

Рабочее напряжение между двумя слоями
В;
Толщина междуслойной изоляции

δ_мсл=0,036 см;

Выступ междуслойной изоляции на торцах обмотки 2 равен 1,6 см [4];

Число цилиндрических поверхностей охлаждения обмотки 2 на стержень сердечника
;
Принимаем (округляется до целого значения в пределах от 1 до 4)

Удельная тепловая загрузка поверхности обмотки 2
Вт/м².
Число слоев и витков в слое во внутренней катушке – 1 слой по 77 витков в слое;

Число слоев и витков в слое в наружной катушке – 1 слой по 77 витков и 1 слой из 28 витков;

Радиальная ширина вертикального канала между двумя концентрическими катушками обмотки 2

а_к2=0,7 см;

Радиальная толщина обмотки 2
см;
Высота обмотки 2
см.
Уточнение приведенного расстояния
см,
где – приведенное расстояние между обмотками, см;

– высота обмоток, см.

Уточнение действительного расстояния между обмотками 1 и 2
см;
Средний диаметр обмотки 2
см;
Средняя длина витка обмотки 2
см;

Вес металла обмотки 2
кг.
Потери в обмотке 2 без учета добавочных потерь
Вт;
Коэффициент увеличения потерь в обмотке 2 от поверхностного эффекта



Потери в обмотке 2 с учетом добавочных потерь
Вт.
6. Параметры и относительное изменение напряжения трансформатора
Потери короткого замыкания
Вт,
т.е. на 0,3% больше заданного, что допустимо [4].

Активная составляющая напряжения короткого замыкания
%;
Приведенное расстояние между обмотками
см;
Коэффициент, учитывающий переход от средней линии магнитных силовых линий потоков рассеяния к высоте обмоток
;
Средняя длина витка обмоток 1 и 2
см;
Индуктивная составляющая напряжения короткого замыкания
%;
Напряжение короткого замыкания
%,
т.е. на 3,5% больше задания, что допустимо.

Активное сопротивление обмотки 1
Ом;
Активное сопротивление обмотки 2
Ом;
Активная составляющая сопротивления короткого замыкания, приведенная к числу витков обмотки 1
Ом;
Индуктивная составляющая сопротивления короткого замыкания, приведенная к числу витков обмотки 1
Ом;
Процентное изменение напряжения при номинальной нагрузке (β= 1) и

cos φ = 0,8


%.
7. Механические силы в обмотках при коротком замыкании
Установившийся ток к. з. в обмотках
А;

А;
Максимальное значение тока к. з. в обмотке 2
А;
Суммарная радиальная сила при к.з.
кг;
Разрывающее напряжение в проводе обмотки 2
кг/см²,
что допустимо. Допустимое напряжение для алюминия σ ≤600…700 кг/см²
8. Расчет магнитной системы трансформатора
Принимаем: запрессовка стержней сердечника выполнена клиньями между сердечником и обмоткой 1, сердечник без каналов [4];

Ширина пакетов стержней сердечника:
см;

см;

см;

см;

см;

см;
Толщина пакетов стержня сердечника (в сердечнике нет каналов):
см;

см;

см;

см;

см;

см;
Площадь поперечного сечения ступенчатой фигуры стержня сердечника


см²;
Площадь поперечного сечения стали стержня сердечника
см²;
Магнитная индукция в стали стержня сердечника
Тл.
Коэффициент увеличения площади поперечного сечения стали ярма

k_я=1,05; [4]

Поперечное сечение стали ярма
см²;
Магнитная индукция в стали ярма
Тл;
Высота ярма сердечника
;

см;

Толщина ярма перпендикулярно листам стали
см.
Наружный диаметр обмотки 2
см;
Расстояние между осями стержней сердечника
см;
Длина ярма сердечника
см;
Длина стержней сердечника
см;
Вес стали стержней сердечника
кг;
Вес стали ярем сердечника
кг;

Полный вес стали сердечника
кг.
Вес металла обмоток
кг;
Отношение веса стали к весу металла обмоток
.
Потери в стали сердечника (потери холостого хода) [5]

где
G_у= G_с.у.+ G_я.у.= γS_с•2b₁+ γS_я•2b₁

G_у =7,6•216•2•17,19•10^-3+7,6•226•2•17,19•10^-3=56,4+59,1=115,5 кг;

Ку=1,5, [5]

P₁₀=1,75 Вт/кг; P_10я=1,57 Вт/кг; [4]
т.о.

Вт;

т.е. на 4% больше заданного, что допустимо.

Сборка сердечника – впереплет.

Число эквивалентных магнитных зазоров в сердечнике крайней фазы с магнитной индукцией В_с

;

Число эквивалентных магнитных зазоров в сердечнике крайней фазы с магнитной индукцией В_я

;

Амплитуда намагничивающего тока крайней фазы обмотки 1

где aw_c – удельные магнитодвижущие силы (МДС) в стержне; [4]

aw_я – удельные МДС в ярме; [4]

δ_э – длина эквивалентного воздушного зазора в стержне и ярме при сборке сердечника в переплет, δ_э = 0,005 см [4].

А;

Число зазоров в сердечнике средней фазы с магнитной индукцией В_с

;

Число зазоров в сердечнике средней фазы с магнитной индукцией В_я

;

Амплитуда намагничивающего тока средней фазы обмотки 1


А;

Среднее значение амплитуды намагничивающего тока для трех фаз
А.
Реактивная составляющая фазного тока холостого хода обмотки 1
А.
где k_A1 – коэффициент амплитуды, зависящий от магнитной индукции и вида стали.

Реактивная составляющая фазного тока холостого хода по упрощенному методу расчета

где σ_с – коэффициент учитывающий соединение обмоток на стороне питания, σ_с=1 если обмотки соединены в треугольник или звезду с нулевым проводом, σ_с=1…0,92 если на стороне питания обмотки соединены в звезду без нулевого провода;

р_рс – удельная реактивная мощность намагничивания листовой электротехнической стали, р_рс = 22…44;

р_δс – удельная реактивная мощность намагничивания мест сопряжения стальных листов р_δс = 1,8…2,7 при В=В_с;

р_δя – удельная реактивная мощность намагничивания мест сопряжения ярма

р_δя = 1,7…2,2 при В=В_я.

А;

Реактивная составляющая линейного тока холостого хода по упрощенному методу расчета
А.
Активная составляющая фазного тока холостого кода обмотки 1
А;
Фазный ток холостого хода
А;
Линейный ток холостого хода обмотки 1 , т. к. соединение «звезда».

Линейный ток холостого хода в процентах от номинального тока

%,

т.е. на 2% больше заданной величины, что допустимо.
9. Коэффициент полезного действия
Коэффициент полезного действия при номинальной нагрузке и cos φ = 0,8
%;
Кратность тока нагрузки, при которой коэффициент полезного действия максимальный
;
Максимальное значение КПД при cos φ₂= 0,8
%.


Заключение
Проектирование трансформаторов включает в себя расчет и их конструирование. В данной курсовой работе рассматривался только расчет силового трехфазного трансформатора с масляным охлаждением мощностью 400 кВА напряжением 10/0,4 кВ.

На основе задания и исходных данных выбираем трехфазный масляный трансформатор, соответствующий требованиям ГОСТ 11677, ГОСТ 11920, ГОСТ-15150, марки ТМГ-400/10–0,4 – У1 – трансформатор трехфазный силовой масляный герметичного исполнения (без маслорасширителя) общего назначения мощностью 400 кВ-А с естественным масляным охлаждением, с напряжением на высокой стороне 10 кВ, на низкой – 0,4 кВ, климатического исполнения для умеренного климата.

Библиографический список
1. Беспалов, В.Я. Электрические машины [Текст]: учебник / В.Я. Беспалов [и др.]. – М.: Академия, 2006. – 313 с.

2. Ванурин, В.Н. Электрические машины [Текст]: учебник / В.Н. Ванурин. – М.: Энергия, 2006. – 380 с.

3. Епифанов, А.П. Электрические машины [Текст]: учебник / А.П. Епифанов. – М.: Лань, 2006. – 263 с.

4. Тихомиров, П.М. Расчет трансформаторов [Текст]: учебник / П.М. Тихомиров. – М.: Энергия, 1976. – 544 с.

5. Дымков, А.М. Расчет и конструирование трансформаторов [Текст]: учебник / А.М. Дымков. – М.: Высш. шк., 1971. – 264 с.

6. Сергеев, П.С. Проектирование электрических машин [Текст]: учебник / П.С. Сергеев, Н.В. Виноградов, Ф.А. Горяинов. – М.: Энергия, 1969. – 632 с.

7. Ермолин, Н.П. Расчет силовых трансформаторов [Текст]: пособие по курсовому проектированию / Н.П. Ермолин, Г.Г. Швец. – Л.: ЛЭТИ, 1964. – 167 с.