Загрузка...
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:
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 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 B1118.93a=1.36PK=3900KС=0.877 B27.514BC=1.6qЗ=4000KД=0.95 PC1.23 Ua=1.56qЗ=23500B=0.45 PУ1.15 KOC=1.84a12=0.009M=8.581 KЯ1.025 UK=4.7a11=0.01A1=166.758qC1.688 UP=4.434A2=17.385 qЯ1.511 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 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 Величина тока холостого хода проектируемого трансформатора не должна превышать значения , следовательно, на основании кривой графика Диапазон значений , обеспечивающий отклонение стоимости активной части трансформатора не более чем на 1% от минимального значения определяется выражением .
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
;
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
;
.
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
; Фактическое значение индукции в ярмах ; ; 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
; Абсолютное фазное
; 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 ; Согласно табл. 9.4 [2] выбираем конструкцию бака с навесными радиаторами с прямыми трубами с масляным охлаждением. Поверхность крышки
; 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
Учебная работа. Расчёт и конструирование силового трёхфазного трансформатора