Расчёт и проектирование силовых трансформаторов

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального обучения Восточно-Сибирский Государственный Технологический Университет технологии и управления Кафедра «АЭПП»

Курсовой Проект по курсу Электромеханика на тему Расчет и проектирование силовых трансформаторов Выполнил:

Павлов И.В.

г. Улан-Удэ

2011 г.

Исходные данные

Основное содержание расчетов:

1. Расчет основных электрических величин

2. Выбор и расчет основных размеров трансформатора

3. Расчет обмоток трансформатора:

3.1 Расчет обмотки НН

3.2 расчет обмотки ВН

4. Расчет магнитной системы трансформатора

5. Определение КПД трансформатора

Заключение

Список используемой литературы

трансформатор обмотка магнитная

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную), имеющую в общем случае иные характеристики, в частности другое напряжение и другой ток.

Трансформаторы получили широкое распространение прежде всего в связи с необходимостью передачи электрической энергии на большие расстояния.

Напряжение, выбираемое на электростанциях, повышают трансформаторами до 6, 10, 20, 35, 110, 150, 220, 330, 400, 500 и 750 кВ (в зависимости от передаваемой мощности, дальности передачи), а на месте потребления напряжения понижают трансформаторами до необходимой величины. В соответствии с этим трансформаторы, предназначены для повышения напряжения, называют повышающими, а для понижения напряжения — понижающими.

По исходным заданным данным мы произведем расчет и проектирование трехфазного, двухобмоточного понижающего трансформатора напряжением сети 3,0/0,69 кВ.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Вариант № 62:

— число фаз: m = 3;

— частота сети: f = 50 Гц;

— режим работы: продолжительный;

— охлаждение: масляное;

— установка: наружная;

— полная номинальная мощность: S = 160 кВА;

— номинальное линейное напряжение: U₁ = 0.69 кВ;

— номинальное линейное напряжение: U₂ = 3 кВ;

— ток холостого хода %: j₀ = 2,3;

— мощность холостого хода: Р_х = 0,52 кВт;

— мощность короткого замыкания: Р_к = 2,65 кВт;

— напряжение короткого замыкания %: U_к = 4,5;

— схема и группа соединения обмоток: Y/Y- 0;

— материал обмотки: Al (алюминий)

1. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Мощность одной фазы и одного стержня:

S_Ф= S' = S/m =160 /3 = 53,33 кВА.

Номинальные линейные токи обмоток НН и ВН:

I_Л1 = = = 133,88 А.

I_Л2 = = =30,79 А.

Фазные токи обмоток НН и ВН:

I_Ф1= I _Л1, при соединении обмоток по схеме Y; I₁ = 133,88А

I_Ф2= I _Л2, при соединении обмоток по схеме Y; I₂ = 30,79 А

Фазные напряжения обмоток НН и ВН:

U _Ф1 = U _Л1/, при соединении обмоток по схеме Y;

U _Ф2 = U_Л2 /, при соединении обмоток по схеме Y;

U _Ф1 = 0,69/ = 0,4 кВ.

U _Ф2 = 3 / = 1,73 кВ.

Определяем испытательные напряжения обмоток (U_исп.1, U_исп.2) по номинальным линейным напряжениям (табл. 4.1.).

U_исп.1 = 5 кВ; U_исп.2 = 18 кВ

Определяем предварительный тип обмоток (табл. 5.8.):

НН — цилиндрическая двухслойная из прямоугольного провода.

ВН — цилиндрическая многослойная из круглого провода.

По (табл. 4.6.) определяем тип провода — прямоугольный, марки АПБ с толщиной изоляции 0,45 (0,50) мм на две стороны.

По испытательным напряжениям определяем изоляционные расстояния обмоток НН, ВН с учетом конструктивных требований (табл. 4.4., 4.5., рис. 4.6. [1]).

Минимальные изоляционные расстояния обмотки НН:

= 15 мм — расстояние обмотки НН от ярма;

д₀₁ = 2×0,5 мм — дополнительная изоляция между обмоткой НН и стержнем из картона;

а₀₁ = 4 мм — расстояние между обмоткой НН и стержнем;

Минимальные изоляционные расстояния обмотки ВН:

= 30 мм — расстояние обмотки ВН от ярма;

а₁₂ = 9 мм — расстояние между обмоткой ВН и НН;

д₁₂ = 3 мм — дополнительная изоляция между обмоткой ВН и НН из картона;

=15 мм — размер выступа цилиндра за высоту обмотки ВН;

а₂₂ = 10 мм — расстояние между обмотками ВН соседних стержней;

Активная составляющая напряжения к.з.:

U_a === 1,66% .

Реактивная составляющая напряжения к.з.:

U_р == = 4,18%.

2. ВЫБОР И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ТРАНСФОРМАТОРА

Выбираем трехфазную стержневую шихтованную магнитную систему, с четырьмя косыми стыками на крайних стержнях и прямыми стыками на средних. Прессовка стержней бандажами из стеклоленты, прессовка ярм — стальными балками. Материал магнитной системы — холоднокатаная рулонная электротехническая сталь марки 3404 толщиной 0,35 мм. Изоляция пластин — нагревостойкое изоляционное покрытие.

По таблице 2.2. определяем коэффициент заполнения К_З для рулонной холоднокатаной стали:

— принимаем коэффициент заполнения сталью К_З = 0,97

По таблице 2.4. индукция в стержне В_с = 1,55 ?1,65 Тл.

Принимаем В_с = 1,60 Тл.

По таблице 2.5. определяем число ступеней в сечении стержня современных трехфазных масляных трансформаторов:

— при мощности трансформатора 160 кВ· А выбираем 6 ступеней без прессующей пластины;

— ориентировочный диаметр стержня d=0,16 м;

— коэффициент заполнения круга К_кр = 0,913;

Коэффициент заполнения К_с площади круга сталью:

К_с = К_кр К_З = 0,913 0,97 = 0,8856.

По таблице 8.6 определяем коэффициент усиления ярма

К_я ===1,02

индукция в ярме

В_я ===1,56 Тл

индукция в прямом зазоре

В_з=в_с=1,6 Тл

индукция в косом зазоре

В_з^/= =1,13 Тл

По таблице 3.4. а = 1,36×1,06 =1,44.

По таблице 3.12. 1] определяем коэффициент соотношения между шириной и высотой трансформатора в = 1,1 ?1,5.

Принимаем в = 1,13

в = .

Средний диаметр канала между обмотками НН и ВН:

d₁₂ = a d = 1,44 0,16 = 0,23 м.

Высота обмотки :

= = = 0,64 м.

Активное сечение стержня:

П_С = К_С = 0,8856 = 0,0178 м²

3. РАСЧЕТ ОБМОТОК ТРАНСФОРМАТОРА

При расчете обмоток необходимо иметь ввиду, что плотность тока не должна превышать допустимых значений:

для алюминиевых обмоток jА 2,7 А/мм².

3.1 РАСЧЕТ ОБМОТКИ НН

Электродвижущая сила одного витка:

U_В = 4,44fП_СВ_С = 4,44 50 0,1 781,60 = 6,32 В.

Число витков обмотки:

W₁ = = = 64 витка

Принимаем: W₁ = 64 витков

Средняя плотность тока в обмотках для алюминиевых обмоток:

j_ср = 0,463К_д = 0,4630,96 =2,02 А/мм²,

где К_д = 0,96 — коэффициент, учитывающий добавочные потери в обмотках и полных потерь к.з. (табл. 3.6.):

Ориентировочное сечение витка:

П'_В1 = = = 66,28 мм².

По таблице 5.8 определяем тип обмотки: Цилиндрическая двухслойная из прямоугольного провода

Число витков в одном слое.

W_сл1 = = = 32 витков

Принимаем: W_сл1 = 32 витков

Ориентировочный осевой размер витка

h_в1 = = = 0,1 939 м = 19,39 мм

По полученным данным ориентировочного сечения витка, по сортаменту обмоточного провода по таблице 5.2. 1] подбираем подходящие сечение прямоугольного провода .

Марка провода n_в1

Выбираем провод — АПБ 2

П_в1 = 31,42 = 62,8 мм² -сечение выбранного провода

Расчитываем плотность тока в выбранном проводе:

j₁ = = = 2,132 А/мм².

Расчитываем осевой размер витка

h_в1 = n_в1 в^/ х 10 ^-3

h_в1= 2×9,5×10 ^-3 =0,019 м

Расчитываем осевой размер обмотки

= h_в1(W_сл+1)+(0,005? 0,015)

l₁=0,019*(32+1)+ 0.013=0,64 м

Радиальный размер обмотки:

а₁ =(2

а₁= = 0,0131 м.=13мм

Радиальный размер канала выбираем по таблице 9.2а

а₁₁= 5? 6, принимаем а₁₁= 5 мм

По таблице 4.4 определяем а₀₁=4мм=0,004 м

Внутренний диаметр обмотки:

D'₁ = d + 2а₀₁ = 0,16 + 2 0,004 = 0,168 м.

Наружный диаметр обмотки:

D''₁ = D'₁ + 2а₁ = 0,168 + 2 0,013 = 0,194 м.

Расчитываем средний диаметр обмотки:

D_ср= = = 0,181 м.

Расчитываем массу металла обмотки НН:

G₀₁ =8,47 10³ cD_ср1 W₁ П_в1 = 8,47 10³3 0,181 64 66,210^-6 = 19,486 кг.

Расчитываем массу провода НН:

G_пр1 = 1,02 1,033? G₀₁ =1,02 1,033?19,486 = 20,532 кг.

где:

1,02 — ориентировочное увеличение массы прямоугольного алюминиевого провода марки АПБ в процентах, по таблице 5.5.

1,033 — масса изоляции алюминиевого провода марки АПБ

3.2 РАСЧЕТ ОБМОТКИ ВН

Число витков обмотки ВН при номинальном напряжении:

W_2Н = W₁ = 64 = 277 витков.

Напряжение, приходящееся на одну ступень регулирования:

?U_р = 0,025 U_Л2 = 0,025 3000 = 75 В.

Число витков на одну ступень регулирования при соединении обмотки ВН в звезду:

W_Р = == 6,851 ?7 витков.

Распределение витков обмотки ВН по ступеням:

Ориентировочная плотность тока:

j'₂ = 2j_ср — j₁ = 2 2,02 — 2,021 = 2,019 А/м²

Ориентировочное сечение витка:

П'_В2 = ==15,25 мм².

Выбираем тип обмотки по таблице 5.8. 1] - цилиндрическая многослойная из круглого провода, рисунок 6.10.

Осевой размер обмотки ВН принимается равным ранее определенному осевому размеру обмотки НН .

Рис. 6.10.

По полученным данным ориентировочного сечения витка, по сортаменту обмоточного провода по таблице 5.1. 1] подбираем подходящие сечение круглого алюминиевого провода .

Марка провода n_в1

Выбираем провод — АПБ 1

Пв₂ = 15,9 мм² — сечение выбранного провода

Расчитываем плотность тока в выбранном проводе:

j₂ = = = 1,936 А/м².

Число витков в одном слое:

W_сл2 = -1 =

Принимаем: W_сл2 = 126 витков

Число слоев в обмотке

n_сл2 = = = 2,17 слоя

Принимаем: n_сл2 = 3 слоя

Обмотку ВН будет состоять из 1 катушки с 3 слоями.

Определяем рабочее напряжение трёх слоев:

U_мсл=3W_cл2?U_в=3?134?6,32=2540,64 В

По рабочему напряжению трёх слоев по таблице 4.7 выбираем 4?0,12 слоев кабельной бумаги на толщину листов, мм. Выступ междуслойной изоляции на торцах обмотки (на одну сторону) — 16 мм.

д_мсл = 4?0,12=0,48 мм

Радиальный размер обмотки:

а₂ = .

а₂ = = 0,013 м

Внутренний диаметр обмотки:

D'₂ = D''₁ + 2а₁₂ = 0,194 + 2 0,009 = 0,212 м.

Наружный диаметр обмотки:

D''₂ = D'₂ + 2а₂ = 0,212 + 2 0,013 = 0,239 м.

Расчитываем средний диаметр обмотки:

D_ср2 = = = 0,2255 м.

Расчитываем массу металла обмотки ВН:

G₀₂ =8,47 10³ cD_ср W₂П_в2?10 ^-6

G₀₂ = 8,47 10³3 0,2255 291 15,9 10^-6 = 26,512 кг.

Расчитываем массу провода ВН:

G_пр2 = 1,015 1,033 G_м2 =1,015 26,512= 27,80 кг.

где:

1,015 — ориентировочное увеличение массы круглого алюминиевого провода марки АПБ в процентах, по таблице 5.1.

1,033 -увеличение массы алюминиевого провода по отношению к меди.

Общая масса металла обмоток ВН и НН:

G_м.общ = G₀₁ + G₀₂ = 19,486 + 26,512 = 46 кг.

Общая масса проводов обмоток ВН и НН:

G_{пр, общ} = G_пр1 + G_пр2 = 20,532 + 27,80 = 48,332 кг.

4. РАСЧЕТ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ ТРАНСФОРМАТОРА

Принимаем конструкцию трехфазной плоскости шихтованной магнитной системы, собираемой из пластин холоднокатаной стали марки 3404, толщиной 0,35 мм, рисунок 2.17. б. 1].

Рис. 2.17. б. 1].

Стержни магнитной системы скрепляются бандажами из стеклоленты, ярма прессуются ярмовыми балками.

По таблице 8.2. 1] определяем для стержня диаметром 0,16 м, без прессующей пластины размер пакетов.

n_c = 6 — число ступеней в стержне;

n_я = 5 — число ступеней в ярме;

k_кр = 0,913 — коэффициент заполнения круга;

а_я = 0,085 м — ширина крайнего наружного пакета ярма.

Размеры пакетов (мм):

h_я = 0,155 м — высота ярма (ширина наибольшего пакета стержня);

b_я = 0,074?2 = 0,148 м — ширина ярма (суммарная толщина всех пакетов стержня).

По таблице 8.6. 1] определяем площади сечения стержня П_ф.с. и ярма П_ф.я. и объем угла магнитной системы V_У :

П_ф.с.= 183,5 см²

П_ф.я.= 188,3 см²

V_У = 2470 см³

Активные сечения стержня:

П_С = К_З П_ф.с. = 0,97 183,5= 178 см².

Активные сечения ярма:

П_Я = К_З П_ф.я. = 0,97 188,3 =182,65 см².

Объем стали угла магнитной системы:

V = К_З V_У = 0,972 470= 2395,9 см³.

Длина стержня:

= =м, где: = 0,03 м определяем по таблице 4.5. 1]).

Расстояние между осями стержней:

С = D₂'' + а₂₂ = 0,239 + 0,010 = 0,249 м.

где: а₂₂ = 10 мм определяем по таблице 4.5. 1]).

Высота активной части:

H_а.ч. = = = 1,01 м.

Масса стали угла магнитной системы:

G_У = К_З V_У y_ст = 0,970,24 707 650 10^-6 = 18,33 кг, где: y_ст = 7650 кг/м³ — удельный вес трансформаторной стали.

Масса стали ярм:

G_Я = 2 П_Я 2Сy_ст,

G_Я = 2 0,188 320,2497650= 143,47 кг.

Масса стали стержней:

G_С = сП_Сy_ст+ С (П_С а_1Я y_ст— G_У) =

= 3 0,1 835 0,77 650 + 3 (0,1 835 0,155 7650 — 18,33)=294,79+10,29=305,08 кг.

Общая масса стали:

G_СТ = G_C+ G_Я = 305,08 + 143,29= 448,55 кг.

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КПД ТРАНСФОРМАТОРА з = % = % = 98,1%

Заключение

В результате выполнения работы мы научились определять основные расчётные величины трансформаторов.

Список используемой литературы

1. Тихомиров П. М., Расчёт трансформаторов.М.: Энергоатомиздат, 1986.

2. Данчиков Б. А. Расчёт обмоток силовых трансформаторов. Методическая разработка к курсовому проектированию. Улан-Удэ. Издательство ВСГТУ. 2011 г.