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 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 конструкторскографической 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 P_k 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 К_p (коэффициент Роговского) для широкого диапазона мощностей может быть принят постоянным, К_p= 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 К_Я — 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: В_З = В_С = 1,6. По этим значениям индукции определяют значения удельных потерь в стали стержня Р_С и ярма Р_Я по табл.6 или 7, а удельные намагничивающие мощности q_С и q_Я, q_З и q₃ соответственно для стержней, ярм и зазоров определяют по табл.8 или табл.9.

Р_С = 1,23 (Вт/кг) Р_Я = 1,15 (Вт/м)

q_С = 1,688 (В*А/кг)

q_Я = 1,511 (В*А/кг)

q_З = 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 К_КР = 0,918, а по табл.11 — значение коэффициента заполнения сечения стержня К_З = 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.

К_Д = 0,95

Ориентировочные значения постоянных коэффициентов, а и в для медных обмоток определяют по табл.13 и 14.

P_К.СПР= P_К.ЗАД по ГОСТ — P_К

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:

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 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 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 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 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 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 ;

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 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.