1.1 Определение линейных и фазных токов и напряжений
обмоток высшего напряжения (ВН) и низшего напряжения (НН)
.3 Определение активной и реактивной составляющих
напряжения короткого замыкания
2.2 Выбор марки и толщины листов стали и типа
междулистовой изоляции. Выбор величины магнитной индукции в сердечнике
.4 Выбор конструкции и определение размеров основных
изоляционных промежутков главной изоляции обмоток
.6 Расчет и выбор нормализованного диаметра стержня.
Расчет высоты обмотки. Предварительный расчет сердечника
4.1 Определение потерь короткого замыкания и проверка
допустимого отклонения ±5%
4.2 Определение напряжения короткого замыкания и проверка
допустимого отклонения ±5%
.3 Определение механических сил в обмотках и сравнение
с допустимыми значениями
5. Окончательный расчет магнитной системы. Определение
характеристик холостого хода
.3 Определение потерь холостого хода и проверка
допустимого отклонения +7,5%
.4 Определение тока холостого хода и проверка
допустимого отклонения +15%
Интенсивный рост энергосистем требует значительного повышения мощности и
улучшения качества выпускаемых трансформаторов. Поэтому исключительное значение
имеет вопрос о рациональном проектировании и производстве трансформаторов
общего и специального назначения.
Целью данного курсового проекта является изучение основных методов
расчета и конструктивной разработки электрической машины или трансформатора. В
курсовом проекте производится расчет основных размеров трансформатора, расчет
обмоток, определение характеристик холостого хода и короткого замыкания, расчет
магнитной системы, а также тепловой расчет и расчет охладительной системы.
Вариант
|
Тип трансформатора
|
Мощность S
|
Напряжение
|
Потери мощности
|
UК
|
i0
|
Схема соединения обмоток
|
|
|
|
Uвн
|
Uнн
|
PК
|
РХ
|
|
|
|
|
|
кВА
|
кВ
|
кВ
|
кВт
|
кВт
|
%
|
%
|
|
29
|
|
25
|
0.38
|
0.23
|
0,56
|
0,14
|
4,5
|
4,8
|
Y/Yн - 0
|
1.
Определение основных электрических величин
1.1
Определение линейных и фазных токов и напряжений обмоток ВН и НН
Мощность одной фазы трансформатора:
Мощность на одном стержне:
кВА.
Номинальные (линейные) токи:
А - на стороне НН.
А - на стороне ВН.
Фазные токи:
А - на стороне НН.
А - на стороне ВН.
Фазные напряжения:
кВ - для обмотки НН.
кВ - для обмотки ВН.
1.2
Определение испытательных напряжений обмоток
Испытанное напряжение трансформатора определяем по табл.4.1.а [2]
Для обмотки НН (класс напряжения до 1 кВ) кВ.
Для обмотки ВН (класс напряжения до 1 кВ) кВ.
1.3
Определение активной и реактивной составляющих напряжения короткого замыкания
Активная составляющая напряжения короткого замыкания:
Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:
2. Расчет
основных размеров трансформатора
Рис.1. Схематическое изображение трансформатора и его основных размеров.
.1 Выбор
схемы и конструкции сердечника
Согласно указаниям § 2.3 [2], выбираем трехфазную стержневую шихтованную
магнитную систему с косыми стыками в 4-х углах.
Рис. 2 Порядок сборки магнитной системы
Сечение стержня по табл.2.5 [2] выбираем с пятью ступенями, без
прессующей пластины. Стержень следует прессовать расклиниванием с обмоткой,
сечение стержня без каналов. Ориентировочный диаметр стержня 0,085-0,1 м,
коэффициент .
2.2 Выбор
марки и толщины листов стали и типа межлистовой изоляции. Выбор индукции в
сердечнике
Согласно рекомендациям [2] выбираем марку стали и её параметры. Для
изготовления магнитопровода принимаем рулонную холоднокатанную сталь марки 3404
с толщиной листов 0,35 мм с нагревостойким электроизоляционным покрытием.
Коэффициент заполнения kЗ = 0,96.
Величину индукции принимаем BС = 1,6 Тл.
2.3 Выбор
материала обмоток
В качестве материала для обмоток высшего напряжения принимаем медный
обмоточный провод марки ПС, для обмотки нисшего напряжения принимаем провод
марки ПСД.
2.4 Выбор
конструкции и определение размеров основных изоляционных промежутков главной
изоляции обмоток
На рис.1. показана главная изоляция обмоток сухих трансформаторов.
Основные изоляционные расстояния главной изоляции выбранные согласно
табл.4.5. и табл. 4.4. [2]:
для обмотки ВН: мм, мм, мм, мм- картон
для обмотки НН: мм, мм, - картон
2.5
Предварительный расчет трансформатора и выбор коэффициента соотношения основных
размеров
Величина определяет соотношение между шириной и высотой
трансформатора. По табл.5.1 [1] в соответствии с классом напряжения
трансформатора и его мощностью, принимаем .
2.6
Определение диаметра стержня и высоты обмотки. Предварительный расчет
сердечника
Первый основной размер трансформатора - диаметр стержня сердечника:
, см
где - коэффициент Роговского,
- частота, Гц
- коэффициент, определяемый по табл.3.3.[2]. .
- приведенная ширина канала рассеяния.
следовательно, см
- общий коэффициент заполнения активным сечением стали
площади круга, .
Тогда диаметр стержня:
cм.
По данным таблицы 2.5 [2] для мощности 25кВА ориентировочный диаметр
0,09. Выбираем 0,09м.
Второй основной размер трансформатора - средний диаметр канала между
обмотками:
, см
где - радиальный размер обмотки НН
- коэффициент, согласно указаниям [1] принимаем
см
Следовательно, диаметр канала между обмотками:
см.
Третий основной размер трансформатора - высота обмотки:
см.
Активное сечение стержня:
см2.
ЭДС одного витка:
В.
3. Расчет
обмоток НН и ВН
3.1 Выбор
типа обмоток НН и ВН
Ориентировочное сечение витка каждой обмотки определяется по формуле:
, мм²
где - средняя плотность тока в обмотках ВН и НН.
, А/мм²
-коэффициент, учитывающий наличие добавочных потерь, по
табл.5.1.[1] до 100 кВт выбираем
Тогда А/мм2
Принимаем табличное значение А/мм
Ориентировочные сечения витков:
Для обмотки НН: мм2
Для обмотки ВН: мм2
По табл.5.6.[1] выбираем тип обмотки:
Для обмотки ВН - многослойную цилиндрическую обмотку из круглого провода.
Для обмотки НН по табл.5.5.[1] - трехслойную цилиндрическую обмотку из
прямоугольного провода.
3.2 Расчет обмотки НН
Уточненная ЭДС одного витка:
В.
Действительная индукция в стержне:
Тл.
Cогласно
указанию [1] по табл. 5,5 [1], выбираем провод:
Рисунок 3. Форма сечения витка обмотки НН
Толщина изоляции на 2 стороны: мм.
Размеры выбранных проводов:
см.
см.
см.
см.
мм2
Полное сечение витка:
мм2.
Полученная плотность тока:
А/мм2
Уточненный осевой размер витка:
см
Примем обмотку НН трехслойной. Тогда число витков в слое:
Принимаем = 27 витков.
Осевой размер обмотки:
см.
Радиальный размер обмотки
Внутренний диаметр обмотки:
см.
Наружный диаметр обмотки:
см.
Средний диаметр обмотки:
Поверхность охлаждения
м2.
с - число стержней, К=0,75 - коэффициент закрытых частей
3.3 Расчет
обмотки ВН
Согласно ГОСТ 401- 41 обмотка ВН всех силовых сухих трансформаторов - трехфазных
должна выполняться с четырьмя ответвлениями: одно на +2% , второе на +2,5%,
третье на -2% и четвертое на -2,5% от номинального напряжения ([1]). Схема
регулирования приведена на рис.1.
Число витков при номинальном напряжении:
витков.
Округляем: витков
Обычно ступени регулирования напряжения делаются равными между собой, что
обуславливает равенство числа витков на стержнях.
Напряжение между двумя отводами:
В.
Число витков на одну ступень регулирования:
витков.
Число витков в первой верхней ступени:
витков.
Число витков во второй верхней ступени:
витков
Число витков при номинальном напряжении:
витка.
Число витков в первой нижней ступени:
витков.
Число витков во второй нижней ступени:
витков.
Плотность тока в обмотке ВН предварительно определяется:
А/мм2.
Сечение витка обмотки ВН предварительно:
мм2.
Согласно указаниям [1] по табл. 5.6, выбираем провод:
Принимаем большее из стандартного
Полное сечение витка: мм2.
Диаметр провода без изоляции: см.
Диаметр провода с изоляцией: см.
Плотность тока в обмотке:
Число витков в слое:
витков.
Округляем: витка.
Число слоев в обмотке:
слоя.
Рабочее напряжение двух слоев обмотки:
В.
Толщина междуслойной изоляции:
мм.
Радиальный размер обмотки для двух катушек без экрана:
см.
Внутренний диаметр обмотки:
см.
Наружный диаметр обмотки:см.
Осевой размер обмотки ВН принимается равным ранее определенному осевому
размеру обмотки НН:
см.
Для обмотки, состоящей из двух катушек с осевым каналом между ними,
внутренняя катушка намотана непосредственно на цилиндр, - три поверхности
охлаждения (коэффициент К = 0,83):
м2.
4.
Определение характеристик короткого замыкания
4.1
Определение потерь короткого замыкания
а) Определение электрических потерь в обмотках.
Средние диаметры обмоток:
обмотки НН: см.
обмотки ВН: см.
Вес провода для обмоток ВН и НН рассчитываем по формуле (для медного
провода):
, кг
обмотка НН: кг
обмотка ВН:
кг
Электрические потери в обмотках:
в обмотке НН: Вт.
в обмотке ВН: Вт.
б) Определение добавочных потерь.
Коэффициент добавочных потерь:
Для медного прямоугольного провода при (обмотка НН):
, где
коэффициент
Следовательно,
Для круглого провода при (обмотка ВН):
где коэффициент
Следовательно,
в) Определение электрических потерь в отводах.
Длина отводов приближенно определяется:
Для НН (соединение Y): см.
Для ВН (соединение Y): см.
Вес металла отводов:
Для НН: кг.
Для ВН: кг.
где γ = 8,9 кг/дм3 - удельный вес металла отводов.
Электрические потери в отводах:
Вт.
Вт.
г) Определение потерь в стальных деталях трансформатора.
Вт
где К - коэффициент, принимаем К = 0,01
д) Определение полных потерь короткого замыкания.
Полные потери к. з.:
Вт
Соотношение полученной и заданной мощности:
.2
Определение напряжения короткого замыкания
Активная составляющая напряжения короткого замыкания:
Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:
, %
где - ширина приведенного канала рассеяния: принимаем
см.
Уточняем диаметр канала между обмотками
, см
см.
тогда реактивная составляющая:
Напряжение короткого замыкания:
Проверка отклонения полученного значения uK от заданного:
4.3
Определение механических сил в обмотках
Так как мощность трансформатора меньше 1000 кВА, то согласно [1],
определяем действующее значение установившегося тока короткого замыкания
основного ответвления обмоток НН и ВН по формуле:
А.
А
Соотношение , следовательно, по табл. 7.3. [2] определим коэффициент , учитывающий максимально возможную
апериодическую составляющую тока короткого замыкания:
Мгновенное максимальное значение тока короткого замыкания:
А.
А.
Радиальная сила:
кН
Среднее сжимающее напряжение в проводе обмотки НН:
МПа.
Среднее растягивающее напряжение в проводе обмотки ВН:
МПа.
Осевые силы в обмотках:
1= l2, поэтому
Рисунок 6. По рис. 7.11 [2] Распределение сжимающих сил.
При определении напряжения сжатия от радиальной силы находится сила,
сжимающая внутреннюю обмотку, условно рассматриваемая как статическая,
. (7.48) [2]
Температура обмотки через после возникновения короткого замыкания:
, °С
где - наибольшая продолжительность к. з., в соответствии с
указаниями [2], принимаем с.
- начальная температура обмотки, °С
Следовательно,
По табл. 7.6 [2] допустимая температура .
5.
Окончательный расчет магнитной системы. Определение характеристик холостого
хода
5.1
Определение размеров пакетов и активных сечений стержня и ярма
Принята конструкция трёхфазной плоской шихтованной магнитной системы,
собираемой из пластин холоднокатаной стали марки 3405, толщиной 0,35 мм.
Стержни магнитной системы скрепляются без прессующей пластины с прессовкой
стержня обмоткой без бандажей. Размеры пакетов выбраны по табл. 8.1[1] для
стержня диаметром 0,09 м. Число ступеней в сечении стержня 5 в сечении ярма 4.
Размеры пакетов в сечении стержня и ярма по табл. 8.1 [1], 8.2[2]
№ пакета
|
Стержень, мм
|
Ярмо, мм
|
1
|
85х15
|
85х15
|
2
|
75х10
|
75х10
|
3
|
65х6
|
65х6
|
4
|
55х4
|
55х4
|
5
|
40х5
|
|
Рисунок 7. Ступенчатая форма ярма.
Общая толщина пакетов стержня (ширина ярма) - м. Площадь ступенчатой фигуры сечения
стержня по таблице 8.6.[2]:
см2 м2
Площадь сечения ярма:
см2 м2
Объем угла магнитной системы:
см3 м3
Активное сечение стержня:
м2.
Активное сечение ярма:
м2.
Объем стали угла магнитной системы:
Vм
5.2
Определение веса стержня и ярм и веса стали
Число каналов ;cm
Длина стержня магнитной системы:
см.
расстояние от обмотки до верхнего и нижнего ярма.
Расстояние между осями стержней:
см.
где - расстояние между обмотками стержня, по табл. 4.5. [2], мм
Масса стали угла магнитной системы:
кг.
кг/м3 - плотность трансформаторной стали
Масса частей ярм, заключенных между осями крайних стержней:
кг.
Масса стали в частях ярм в углах:
кг.
Полная масса стали ярм:
кг.
Рисунок 8. К определению размеров сердечника
Масса стали стержней в пределах окна магнитной системы:
кг.
Масса стали в местах стыка пакетов стержня и ярма:
кг.
Общая масса стали стержней:
кг.
Общая масса стали плоской магнитной системы:
кг.
5.3
Определение потерь холостого хода
Индукция в стержне:
Тл.
Индукция в ярме:
Тл.
Индукция на косом стыке:
Тл.
Площадь сечения стержня на косом стыке:
м2.
Удельные потери для стали стержней, ярм и стыков по табл. 8.10 [2] для
стали марки 3404 толщиной 0,35 мм при шихтовке в две пластины:
при Тл, Вт/кг, Вт/м2;
при Тл, Вт/кг, Вт/м2;
при Тл, Вт/м2.
Для плоской магнитной системы с косыми стыками на крайних стержнях и
прямыми стыками на среднем стержне, с многоступенчатым ярмом, без отверстия для
шпилек, с отжигом пластин после резки стали, и удаления заусенцев для
определения потерь холостого хода применим выражение:
, Вт
где - коэффициент добавочных потерь, по табл. 8.14 [2],
- коэффициент увеличения потерь в углах, по табл. 8.13 [2],
Тогда потери холостого хода:
В процентах от заданного значения:
5.4
Определение тока холостого хода
По таблице 8.17 [2] находим намагничивающие мощности:
при Тл, ВА/кг, ВА/м2;
при Тл, ВА/кг, ВА/м2;
при Тл, Вт/м2.
Для принятой конструкции магнитной системы и технологии ее изготовления
намагничивающую мощность рассчитаем по формуле:
где коэффициенты (§ 8.3 [2])
(§ 8.3 [2])
(по табл. 8.21 [2])
(по табл. 8.20 [2])
Следовательно, намагничивающая мощность:
Вар
Ток холостого хода:
Активная составляющая тока холостого хода:
Реактивная составляющая тока холостого хода:
Коэффициент полезного действия трансформатора:
6. Тепловой
расчет
6.1
Поверочный тепловой расчет обмоток
Внутренний перепад температуры:
обмотка НН (прямоугольный провод):
, °С
- плотность теплового потока на поверхности обмотки:
Вт/м²
Тогда
°С
Потери, выделяющиеся в 1 см3 общего объема обмотки:
Средняя теплопроводность обмотки:
, Вт/см °С
где - средняя условная теплопроводность обмотки без учета
междуслойной изоляции:
Вт/см °С
Следовательно Вт/см °С
Полный внутренний перепад температуры в обмотке ВН (круглый провод): не
имеющих горизонтальных охлаждающих каналов.
Потери, выделяющиеся в 1 см3 общего объема обмотки:
Вт/см3
Средняя теплопроводность обмотки:
Вт/см °С
Вт/см °С
°С
Средний перепад температуры составляет 2/3 от полного перепада:
°С
°С
Для цилиндрических обмоток из прямоугольного и круглого провода, не
имеющих радиальных каналов, перепад на поверхности обмотки:
Для обмотки НН:
°С
Вт/м²
где - по табл. 10.2 [1],
Для обмотки ВН:
Вт/м²
следовательно, по табл. 10.2 [1],
°С
Рассчитаем среднее превышение температуры обмоток над средней
температурой воздуха:
°С
°С
Вывод
Знания основ проектирования электрических машин и трансформаторов
необходимо инженерам - электромеханикам, эксплуатирующим энергетические
установки и электропривод. Они должны знать, как проектируются электрические
машины и как могут быть получены наиболее высокие их характеристики. Эти знания
помогут в сознательной эксплуатации и модернизации существующих энергетических
установок.
Интенсивный рост энергосистем требует дальнейшего повышения мощности и
улучшения качества выпускаемых трансформаторов. Поэтому важное значение имеет
вопрос о рациональном проектировании и производстве трансформаторов общего и
специального назначения.
Целью курсового проектирования являются изучение студентами основных
методов расчета и конструктивной разработки электрической машины или
трансформатора. Курсовой проект является комплексной работой, которая требует
понимания связей между показателями машин и ее размерами.
Список
литературы
1.
Сечин В.И..
Расчет силовых трансформаторов. Учебное пособие.- Хабаровск: ДВГУПС, 1993.
2.
Тихомиров П.М..
Расчет трансформаторов.-М: Энергоатомиздат, 1986.