Расчёт и конструирование силового трёхфазного трансформатора
ФГБОУВПО
"Норильский индустриальный институт"
Факультет
электроэнергетики, экономики и управления.
Кафедра
теоретической электротехники и электроснабжения предприятий
Курсовой
проект
по дисциплине
"Электрические машины" на тему:
Расчёт и
конструирование силового трёхфазного трансформатора
Группа: ЭП-11
Студент: Маруева К.С.
Преподаватель: Иванов Г. В.
Норильск
2013г.
Содержание курсовой работы
1. Введение
. Расчет
главных размеров трансформатора
Главные
размеры
Расчет
основных электрических величин
Определение
исходных данных для нахождения оптимального значения b
. Выбор и
расчет обмоток
Выбор
конструкции обмоток
Расчет
обмоток НН
Расчет
цилиндрических 2-слойных обмоток из прямоугольного провода
Расчет
обмоток ВН
Расчет
многослойной цилиндрической обмотки из круглого провода
. Расчет
параметров короткого замыкания
Определение
потерь короткого замыкания
Напряжение
короткого замыкания
Сопротивление
короткого замыкания
Основные
потери в обмотках трансформатора
. Расчет
механических усилий при коротком замыкании
Определение
механических сил и напряжений между обмотками и частей
Определение
температуры обмоток, при коротком замыкании
. Расчет
параметров холостого хода
Уточнение
геометрических размеров магнитной системы
Определение
потерь холостого хода трансформатора
Определение
тока холостого хода
. Тепловой
расчет трансформатора
Поверочный
тепловой расчет обмоток
Тепловой
расчет бака и охладительной системы
Окончательный
расчет превышения температуры обмоток и масла
Определение
массы масла и конструктивных материалов трансформатора
. Расчет
экономических показателей трансформатора
. Список
используемой литературы
трансформатор провод замыкание обмотка
1.
Введение
Проектируемый трансформатор предназначен для использования в системе
электроснабжения в качестве силового трансформатора.
Курсовой проект состоит из двух основных частей: пояснительной записки и
конструкторско- графической части.
В пояснительной записке приводятся расчет основных электрических величин,
определение исходных данных для нахождения оптимальных главных размеров
трансформатора с использованием ЭВМ и введением программы "Raschet".
На основе выбранных оптимальных главных размеров производится выбор и
расчет обмоток трансформатора с учетом современных изоляционных материалов. В
качестве обмоточного провода использован медный провод. По результатам расчета
обмоток выполнен расчет параметров короткого замыкания и расчет механических
усилий, воздействующих на обмотки трансформатора при возникновении короткого
замыкания.
Далее выполнен расчет параметров холостого хода и выбран магнитопровод
трансформатора. Выполнен тепловой расчет трансформатора и произведен расчет
охладительной системы.
На основании всех выполненных расчетов выполнен расчет экономических
показателей трансформатора.
Конструктивная разработка трансформатора произведена на двух чертежах:
общий вид трансформатора в трех проекциях на листе А-1 и остов трансформатора в
трех проекциях на листе А-2.
2. Расчет
главных размеров трансформатора
Главные
размеры
Главными размерами трансформатора являются: диаметр d окружности, в
которую вписано ступенчатое сечение стержня, высота его обмоток и средний
диаметр витка двух обмоток или диаметр осевого канала между обмотками d12,
связывающий диаметр стержня с различными размерами обмоток a1 и а2
и осевого канала между ними а12.
Рис. 1 Главные размеры трансформатора
Два основных размера, относящихся к обмоткам d12, и l могут быть связаны отношением
средней длины окружности канала между обмотками высоте обмотки l:
Величина b
определяет соотношение между диаметром и высотой обмотки.
Расчет основных электрических величин
Расчет трансформатора начинается с определения основных электрических
величин: мощности на одну фазу и стержень, номинальных токов на стороне
высокого напряжения (ВН) и низкого напряжения (НН), фазных токов и напряжений.
Мощность одной фазы:
Мощность на один стержень:
где m - число фаз; с - число активных (несущих обмоток) стержней
трансформатора. Для нормальных силовых трехфазных трансформаторов .
Номинальный (линейный) ток высокого напряжения:
Номинальный ток низкого напряжения:
Номинальный фазный ток ВН:
для соединения обмоток в звезду:
Номинальный фазный ток НН:
для соединения обмоток в звезду:
Фазное напряжение ВН:
для соединения обмоток в звезду:
Фазное напряжение НН:
для соединения в звезду:
По полученным значениям напряжений ВН и НН и по табл.1 выбираем значения
испытательных напряжений обмоток.
Для обмотки ВН выбираем значение испытательного напряжения 18 кВ, а для
НН выбираем значение испытательного напряжения 5 кВ.
Чтобы получить испытательные напряжения, по табл.2 находим изоляционные
расстояния a12, l0, a11, а по табл.3 - а02
.
a12 = 9мм = 0,009 м0 = 30 мм = 0,03 м11 = 10 мм = 0,01 м
а02 = 4 мм = 0,004 м
Определение исходных данных для нахождения оптимального
значения b
Для определения главных и оптимальных размеров трансформатора по данным
задания к расчету необходимо исследовать связи между величиной b и параметрами трансформатора.
Для этого задают значения b в широких пределах, а затем по нижеизложенной методике
выбирают его значения.
Для расчета параметров трансформатора при различных значениях b необходимо определить следующие
исходные данные по данным задания на курсовой проект:
Активная составляющая напряжения короткого замыкания:
(%)
где S - в киловольт-амперах, а Pk в ваттах.
Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:
(%)
Ширина приведенного канала рассеяния:
где а12 - изоляционный промежуток между обмотками ВН и НН
определяется величиной испытательного напряжения по табл.2; - приведенная ширина двух обмоток
может быть определена приближенно по формуле:
Значения коэффициента в этой формуле определяется по табл.4.
Коэффициент приведения идеального поля рассеяния к реальному Кp
(коэффициент Роговского) для широкого диапазона мощностей может быть принят
постоянным, Кp= 0,95
Согласно указаниям разд.2.3. [2] выбираем планарную конструкцию трехфазной магнитной системы.
По конструкции и заданному материалу магнитной системы выбирают значение
магнитной индукции.
Рекомендуемые значения расчетной индукции в стержнях современных масляных
и сухих трансформаторов при использовании современных марок хлоднокатной стали
приведены в табл.5.
Для определения величины индукции в ярмах пользуются формулой:
где КЯ - коэффициент усиления ярма лежит в пределах 1,015 -
1,025, причем большая величина относится к трансформаторам мощностью менее 630
кВ А.
Индукцию в зазорах при косом стыке принимают:
А при прямом стыке: ВЗ¢¢ = ВС = 1,6. По этим значениям индукции
определяют значения удельных потерь в стали стержня РС и ярма РЯ
по табл.6 или 7, а удельные намагничивающие мощности qС и qЯ,
qЗ¢ и q3¢¢ соответственно для стержней, ярм и
зазоров определяют по табл.8 или табл.9.
РС = 1,23 (Вт/кг)
РЯ = 1,15 (Вт/м)С = 1,688 (В*А/кг)Я =
1,511 (В*А/кг)З¢ = 4000 (В*А/м2)3¢¢ = 23500 (В*А/м2)
Для заданной мощности трансформатора по табл.10 выбираем ориентировочное
число ступеней равное S0=7 и определяем значение коэффициента
заполнения площади круга ККР = 0,918 , а по табл.11 - значение
коэффициента заполнения сечения стержня КЗ = 0,955 (Марка стали 3404
нагревостойкая изоляция + однократная лакировка).
Определяем общий коэффициент заполнения сталью площади круга:
Коэффициент потерь Кд, учитывающий добавочные потери в обмотках, потери в
отводах, стенках бака и других металлических конструкциях от гистерезиса и
вихревых токов, от воздействия поля рассеяния, принимают по табл.12.
КД = 0,95
Ориентировочные значения постоянных коэффициентов а и в для медных
обмоток определяют по табл.13 и 14.
PК.СПР= PК.ЗАД по ГОСТ - PК
Вт = 3900 Вт;
Тогда ориентировочные значения:
Ориентировочные значения для масляных двух обмоточных:
Коэффициент Кос, зависящий от цен на материалы обмоток и магнитной
системы, изменяется с изменением марки стали и металла обмоток. Ориентировочные
значения коэффициента Кос = 1,84.
По определенным выше справочным и расчетным величинам находят основные
коэффициенты для расчета параметров трансформатора по следующим формулам:
где f - частота сети, Гц;
l
=0,411 - для ярма многоступенчатой формы;
Расчёт трансформатора
Исходные данные:
А
|
=
|
0.135
|
B1
|
118.93
|
a
|
=
|
1.36
|
PK
|
=
|
3900
|
KС
|
=
|
0.877
|
B2
|
7.514
|
BC
|
=
|
1.6
|
q’’З
|
=
|
4000
|
KД
|
=
|
0.95
|
PC
|
1.23
|
Ua
|
=
|
1.56
|
q’’’З
|
=
|
23500
|
B
|
=
|
0.45
|
PУ
|
1.15
|
KOC
|
=
|
1.84
|
a12
|
=
|
0.009
|
M
|
=
|
8.581
|
KЯ
|
1.025
|
UK
|
=
|
4.7
|
a11
|
=
|
0.01
|
A1
|
=
|
166.758
|
qC
|
1.688
|
UP
|
=
|
4.434
|
|
|
|
A2
|
=
|
17.385
|
qЯ
|
1.511
|
S
|
=
|
250
|
|
|
|
Результаты
расчёта
Приведенные графики позволяют заметить, что с ростом масса металла обмоток и масса стали в стержнях уменьшаются, а масса стали в ярмах и общая масса стали трансформатора возрастают.
Общая стоимость активной части с ростом сначала падает, а затем, пройдя
через минимальное значение, снова возрастает. Поскольку с увеличением при сохранении индукции общая масса стали возрастает, должны
возрастать также потери ( и ) и ток холостого хода, что подтверждается графиками
По условиям проектирования трансформатор должен иметь потери холостого
хода , этому значению по графику
соответствует значение .
Величина тока холостого хода проектируемого трансформатора не должна
превышать значения , следовательно, на основании кривой графика значение не должно превышать величину .
Диапазон значений , обеспечивающий отклонение стоимости активной части
трансформатора не более чем на 1% от минимального значения определяется
выражением .
Данному значению соответствуют два участка с β <
2.535 и .
Согласно графика изменения относительной стоимости, приведенного в
приложении b=1,97 является оптимальным значением Сач,
Предварительно рассчитанные параметры
3. Выбор и
расчет обмоток
Выбор
конструкции обмоток
По таблице 5,8 [2] для обмотки НН выберем цилиндрическую обмотку из
прямоугольного провода. Для обмотки ВН выберем цилиндрическую обмотку
многослойную из круглого провода
Активное сечение стержня:
Средняя плотность тока в обмотках
;
Ориентировочное сечение витка
;
Расчет
обмоток НН
Число витков на одну фазу обмотки НН
;
ЭДС одного витка
;
Уточним значение индукции в стержне трансформатора
;
Расчет цилиндрических 2-слойных обмоток из прямоугольного
провода
Число витков в одном слое для двухслойной обмотки
;
Ориентировочная высота витка:
;
Толщину изоляции примем 0,5 мм ;
Выберем из таб.5.2 [2] провод ПБ а=5 мм; b=12,5 мм с П=61,6 мм2 ;
Подробные размеры провода: ;
Полное сечение витка из 3 параллельных проводов
;
Фактическая плотность тока в обмотке НН
Осевой размер витка (высота):
;
Окончательная высота (осевой размер) обмотки НН
;
Толщина слоя: ;
Радиальный размер двухслойной обмотки:
;
Внутренний диаметр обмотки Н0Н:
;
Наружный диаметр обмотки НН:
;
Полная охлаждаемая поверхность обмотки НН
;
Средний диаметр обмотки НН
;
Расчет
обмоток ВН
Р2асчет обмоток ВН начнем с определения числа витков, необходимых для
получения номинального напряжения
;
Число витков для регулирования напряжения при четырех ответвлениях
;
Число витков четырех ступенчатой обмотки на ответвлениях равно:
Предварительная плотность тока в обмотке ВН
;
Предварительное сечение витка обмотки ВН
Расчет
многослойной цилиндрической обмотки из круглого провода
Для обмотки ВН по ранее полученным данным выберем из таб. 5.1 провод ПБ
диаметром 2.24 мм и сечением 3.94 мм2. ,толщина изоляции 0,3мм ;
Полное сечение витка ;
Фактическая плотность тока обмотки ВН
;
Число витков в слое
;
Число слоев в обмотке
Рабочее напряжение между первыми витками двух соседних слоев
;
По этому напряжению из таб. 4.7 [2] выберем толщину межслойной изоляции
3х0,12мм и выступ на торцах обмотки на одну сторону 16мм.
По испытательному напряжению обмотки ВН и мощности трансформатора по таб.
2 [1] выберем:
минимальную ширину масленого канала обмотки НН и ВН ;
толщина цилиндра между обмотками ;
величину выступа цилиндра за высоту обмотки ;
минимальное расстояние между обмотками ВН соседних стержней ;
расстояние обмотки ВН от ярма ;
Радиальный размер обмотки
;
Внутренний диаметр обмотки ВН
;
Наружный диаметр обмотки
;
Расстояние между осями стержней
;
Поверхность охлаждения обмотки, намотанной на рейки на цилиндре
;
Средний диаметр обмотки ВН
.
4. Расчет
параметров короткого замыкания
Определение
потерь короткого замыкания
Потери короткого замыкания в трансформаторе состоят из
электрических потерь в обмотках, из добавочных потерь в обмотках и отводах, а
также из потерь в стенках бака и других металлических элементах конструкции,
вызванных потоком рассеяния обмоток и отводов.
Согласно ГОСТ 11077-85 за расчетную (условную) температуру, к которой
должны быть приведены потери и напряжение короткого замыкания, принимают: +75 оС
для всех масляных и сухих трансформаторов с изоляцией классов нагревостойкости
А, Е, В; +115 оС для трансформаторов с изоляцией классов
нагревостойкости F, Н, С.
Полные потери короткого замыкания готового трансформатора не должны
отклоняться более чем на 5% от гарантийного значения, заданного ГОСТом или
заданием на проект.
Электрические
потери в обмотках НН
здесь К=2,4 коэффициент, учитывающий плотность металла.
Электрические
потери в обмотках ВН
Добавочные
потери в обмотках
Для обмоток НН
Для обмоток ВН
Электрические
потери в отводах
Примем сечение отвода равным сечению витка обмотки и общую длину проводов
для соединения в звезду 7,5l, в
треугольник 14l, массу металла проводов отводов можно найти по формуле,
а) для обмоток НН
;
в) для обмоток ВН
;
Электрические потери в отводах определим по формуле:
для отводов НН ;
для отводов ВН
Потери в стенках бака:
Потери в
стенках бака и других стальных деталях трансформатора
Определим следующие
минимальные расстояния и размеры1=15 мм - изоляционное расстояние от
ВН до стенки бака по табл. 4.11 [2];2=20 мм - расстояние от отвода
ВН до прессующей балки ярма по табл. 4.11 [2];3=10 мм - расстояние
от отвода НН до отвода до стенки бака по табл. 4.12 [2];4=20 мм -
расстояние от отвода НН до прессующей балки ярма по табл. 4.11 [2];1=
4 мм; d2=15,35 мм;
К
определению основных размеров бака
Минимальная ширина бака
Минимальная длина бака
;
Средний радиус бака
;
;
Периметр гладкого бака
;
Реактивная составляющая напряжения КЗ
;
Средний радиус канала рассеивания
;
Потери в ферромагнитных деталях
Полные потери короткого замыкания
Напряжение
короткого замыкания
Активная составляющая напряжения короткого замыкания
;
Напряжение короткого замыкания
.
Сопротивление
короткого замыкания
Активное сопротивление короткого замыкания
;
Реактивное сопротивление короткого замыкания
Основные
потери в обмотках трансформатора
5. Расчет
механических усилий при коротком замыкании
Определение максимального установившегося тока короткого замыкания
Мгновенное максимальное значение тока короткого замыкания
Определение
механических сил и напряжений между обмотками и частей
Радиальная сила, действующая на обмотки HH и ВН
;
где ;
Растягивающее напряжение на разрыв провода в обмотке ВН
Растягивающее напряжение в обмотке НН
;
Осевая сила
Расстояние между крайними витками с током при работе трансформатора на
низшей ступени обмотки ВН
Осевая сила
;
Максимальное значение сжимающей силы в обмотке
;
Напряжение сжатия на опорных поверхностях обмоток (НН)
.
Определение
температуры обмоток, при коротком замыкании
Для обмотки НН:
Для обмотки ВН:
6. Расчет
параметров холостого хода
Уточнение
геометрических размеров магнитной системы
из табл. 8.3 [2] для d=0,16;
;
Полное сечение ступенчатой фигуры стержня (без прессующей пластины) из
табл.8.6 [2]
;
Активное сечение стержня (без прессующей пластины) ;
Полное сечение ступенчатой фигуры ярма (без прессующей пластины) из
табл.8.6 [2] ;
Активное сечение ярма ;
Масса стали одного угла
;
Массы частей ярм, заключенных между осями крайних стержней
;
Массы стали в частях ярм
;
Полная масса двух ярм
;
Длина стержня
;
где - расстояние ВН от ярма.
Масса стали стержней в пределах окна магнитной системы
;
Масса стали в местах стыка пакетов стержня и ярм
;
Полная масса трех стержней
;
Полная масса стали плоской магнитной системы
.
Определение
потерь холостого хода трансформатора
Фактическое значение индукции в стержнях
;
Фактическое значение индукции в ярмах
;
Фактическое значение индукции в косых стыках
;
По этим значениям индукции определим удельные потери
потери в стержне;
потери в ярме ;
потери в зоне шихтованного стыка ;
Потери холостого хода в стали
Полная намагничивающая мощность трансформатора
Определение тока холостого хода
Активная составляющая тока холостого хода
Относительное значение активной составляющей тока холостого хода
;
Абсолютное фазное значение реактивной составляющей тока
;
Относительное значение реактивной составляющей тока холостого хода в
процентах
;
Полный ток холостого хода
7.
Тепловой расчет трансформатора
Поверочный
тепловой расчет обмоток
Внутренний перепад температуры обмотки НН
;
Среднее значение внутреннего перепада обмотки НН
Удельные потери, выделяющиеся в 1 м3 общего объема обмотки
Средняя условная теплопроводность обмотки
Коэффициент
;
Внутренний перепад
;
Внутренний перепад температуры обмотки ВН
;
Средне значение внутреннего перепада обмотки ВН
Перепад температуры между поверхностью обмотки и масла
Для обмотки НН
;
Для обмотки ВН
;
Среднее превышение температуры обмотки над температурой масла
Тепловой
расчет бака и охладительной системы
Высота активной части
;
где -толщина прокладок под нижнее ярмо
- высота ярма прямоугольного сечения
Расстояние от верхнего ярма до крышки бака из табл. 9.5 [2]
;
Общая глубина бака
;
Среднее превышение температуры стенки бака над воздухом ;
Среднее превышение температуры масла
;
Температура в верхних слоях масла
;
Перепад температур между маслом и внутренней стенкой бака
;
Предварительное среднее значение превышения температуры наружной стенки
бака над температурой воздуха
;
Согласно табл. 9.4 [2] выбираем конструкцию бака с навесными радиаторами
с прямыми трубами с масляным охлаждением.
Поверхность крышки
Поверхность конвекции гладкого бака
;
Поверхность излучения гладкого бака
;
Ориентировочная поверхность конвекции
;
Необходимая поверхность конвекции радиаторов
;
Окончательный
расчет превышения температуры обмоток и масла
Среднее превышение температуры стенки бака над окружающим воздухом
;
Среднее превышение температуры масла в близи стенки над температурой
стенки бака
;
Превышение температуры масла в верхних слоях над окружающим воздухом
;
Превышение температуры обмоток над окружающим воздухом
для обмоток ВН
;
для обмоток НН
;
Определение
массы масла и конструктивных материалов трансформатора
Масса активной части
;
Объем бака
;
Объем активной части
;
Ориентировочная общая масса масла
;
8. Расчет
экономических показателей трансформатора
Стоимость активной части
Стоимость трансформатора
;
Произведенные годовые затраты на трансформаторную установку
где реактивная мощность
;
Фактическая величина коэффициента полезного действия трансформатора
9. Список
используемой литературы
1. Иванов Г. В. Методические указания
№501 "Электрические машины. Расчет и конструирование силовых трехфазных
трансформаторов",1991г.
2. Тихомиров П. М. "Расчет
трансформаторов",1986г.
3. Брускин Д. Э. "Электрические
машины",1979 г.
4. Дымков А. М. "Расчет и
конструирование трансформаторов",1970г.
5. Сапожников А.В. "Конструирование
трансформаторов",1959г.