Расчёт и конструирование силового трёхфазного трансформатора

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

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 2013 г.

Содержание курсовой работы

  • 1. Введение
  • 2. Расчет главных размеров трансформатора
    • Главные размеры
    • Расчет основных электрических величин
  • Определение исходных данных для нахождения оптимального значения
  • 3. 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
  • 4. Расчет параметров короткого замыкания
    • Определение потерь короткого замыкания
    • Напряжение короткого замыкания
    • Сопротивление короткого замыкания
    • Основные потери в обмотках трансформатора
  • 5. Расчет механических усилий при коротком замыкании
    • Определение механических сил и напряжений между обмотками и частей
    • Определение температуры обмоток, при коротком замыкании
  • 6. Расчет параметров холостого хода
    • Уточнение геометрических размеров магнитной системы
  • Определение потерь холостого хода трансформатора
  • Определение тока холостого хода
  • 7. 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
  • 8. Расчет экономических показателей трансформатора
  • 9. 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 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 = 9 мм = 0,009 м

l0 = 30 мм = 0,03 м

a11 = 10 мм = 0,01 м

а02 = 4 мм = 0,004 м

Определение исходных данных для нахождения оптимального значения

Для определения главных и оптимальных размеров трансформатора по данным задания к расчету необходимо исследовать связи между величиной и параметрами трансформатора.

Для этого задают значения в широких пределах, а затем по нижеизложенной методике выбирают его значения.

Для расчета параметров трансформатора при различных значениях 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. 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)

qС = 1,688 (В*А/кг)

qЯ = 1,511 (В*А/кг)

qЗ = 4000 (В*А/м2)

q3 = 23 500 (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

3900 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

=

23 500

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 в < 2. 535 и.

Согласно графика изменения относительной стоимости, приведенного в приложении =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 0,3 мм;

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 3×0,12 мм и выступ на торцах обмотки на одну сторону 16 мм.

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 11 077–85 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 размеры

s1=15 мм -- изоляционное расстояние от ВН до стенки бака по табл. 4. 11 [2];

s2=20 мм -- расстояние от отвода ВН до прессующей балки ярма по табл. 4. 11 [2];

s3=10 мм -- расстояние от отвода НН до отвода до стенки бака по табл. 4. 12 [2];

s4=20 мм -- расстояние от отвода НН до прессующей балки ярма по табл. 4. 11 [2];

d1= 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

Иванов Г. В. Методические указания № 501 «Электрические машины. Расчет и конструирование силовых трехфазных трансформаторов», 1991 г.

Тихомиров П. М. «Расчет трансформаторов», 1986 г.

Брускин Д. Э. «Электрические машины», 1979 г.

Дымков А. М. «Расчет и конструирование трансформаторов», 1970 г.

Сапожников А.В. «Конструирование трансформаторов», 1959 г.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой