Расчет трансформатора - Курсовая работа

Трансформатор со стержневым магнитопроводом обладает лучшими условиями охлаждения обмоток и сердечника, доступностью осмотра обмоток при ревизии трансформатора, простотой сборки и ремонта сердечника и т.д. Изоляционный цилиндр между обмоткой 1 и сердечником ?цо не предусматривается; Предварительная радиальная толщина обмотки 1 из алюминиевого провода при мощности одного стержня от 50 до 500 КВТ ?1= 3,6…4,4, принимаем ?1=4 см [4]. Предварительная радиальная толщина обмотки 2 при предыдущих мощностях ?2= 2,5…3, принимаем ?2=2,7 см [4]. Принимаем: запрессовка стержней сердечника выполнена клиньями между сердечником и обмоткой 1, сердечник без каналов [4];В данной курсовой работе рассматривался только расчет силового трехфазного трансформатора с масляным охлаждением мощностью 400 КВА напряжением 10/0,4 КВ.

Известно, что наибольшее распространение в трансформатостроении получили силовые трансформаторы со стержневыми магнитопроводами, как наиболее простые и удобные в конструктивном отношении по сравнению с трансформаторами броневого типа. Трансформаторы броневого типа в России в основном используются в маломощных радиотехнических установках. Трансформатор со стержневым магнитопроводом обладает лучшими условиями охлаждения обмоток и сердечника, доступностью осмотра обмоток при ревизии трансформатора, простотой сборки и ремонта сердечника и т.д. [1].

В курсовой работе в краткой форме произведен расчет силового трансформатора без подробного рассмотрения ряда второстепенных деталей и узлов имеющих значение при заводском проектировании. Однако это дает возможность овладеть основами расчета трансформаторов.

Исходные данные для проектирования

Номинальная мощность трансформатора………. S = 400 КВА

Число фаз……………………………… m =3

Частота сети……………………………. f=50 Гц

Режим работы трансформатора……………… продолжительный

Номинальное высшее линейное напряжение……. UBH = 10000 В

Номинальное низшее линейное напряжение……. UHH = 515 В

Схема и группа соединения обмоток…………. Y/Y - 12

Способ охлаждения трансформатора…………. естественное масляное

Напряжение короткого замыкания……………. uk = 4,5%

Потери короткого замыкания………………. Рк = 3000 Вт

Потери холостого хода……………………. Ро = 1500 Вт

Ток холостого хода………………………. Материал обмоток………………………. io = 4,9% алюминий

Обозначим, для краткости, первичную обмотку трансформатора -1, а вторичную - 2.

1 Основные электрические величины

Номинальные фазные напряжения (при этом принимаем во внимание, что при схеме звезда):

В.

Номинальные токи. При схеме «звезда» Іф = Іл

т.о. I1 = I1ф = 448,4 А; I2 = I2ф = 23,1 А 2. Определение основных размеров трансформатора

Данные для расчета: - металл провода обмоток - алюминий;

- марка стали сердечника - 3411 (Э310);

- толщина листов стали - 0,35 мм;

- удельные потери в стали р10= 1,75 Вт/кг;

- магнитная индукция в стержнях Вс=1,6 Тл;

- средняя плотность тока в обмотках j = 2 А/мм2;

Отношение веса стали к весу металла обмоток

, где рм - удельные потери в металле обмоток для алюминия рм=12,75 Вт/кг.

ЭДС на один виток

В/виток. где С0 - коэффициент определяемый формой катушек, материалом. При трехслойной конструкции, алюминий, круглая форма катушек

С0 = 0,14…0,21 [4]. Примем С0 =0,17.

Число витков в обмотке 1 виток;

Число витков в обмотке 2 витков.

Уточненное значение ЭДС на виток

В/виток

Площадь поперечного сечения стали стержня сердечника см2;

Рисунок 2.1 Ступенчатая форма поперечного сечения стержня трансформатора

Число ступеней стержня сердечника n=6; [4]

Число каналов в сердечнике - сердечник без каналов;

Коэффициент заполнения площади описанного круга площадью ступенчатой фигуры ккр=0,935 [4];

Изоляция стали - бумага;

Коэффициент заполнения ступенчатой фигуры сталью fc=0,92 [4];

Диаметр круга, описанного вокруг стержня сердечника см.

Номинальная мощность обмотки 1 на стержень сердечника

КВА;

где с - число фаз.

Номинальное напряжение обмотки 1 на стержень сердечника

В;

Номинальный ток обмотки 1 на стержень сердечника

А;

Число витков обмотки 1 на стержень сердечника виток;

Предварительная площадь поперечного сечения провода обмотки 1 мм2;

Тип обмотки 1 - цилиндрическая двухслойная из провода прямоугольного сечения [2];

Номинальная полная мощность обмотки 2 на стержень сердечника КВА;

Номинальное напряжение обмотки 2 на стержень

В;

Номинальный ток обмотки 2

А;

Число витков обмотки 2 на стержень витков;

Предварительная площадь поперечного сечения провода обмотки 2 мм2;

Тип обмотки 2 - многослойная цилиндрическая из провода круглого сечения [2].

Испытательное напряжение обмотки 1

КВ; [4]

Испытательное напряжение обмотки 2

КВ; [4]

Изоляционный цилиндр между обмоткой 1 и сердечником ?цо не предусматривается;

Полное расстояние между обмоткой 1 и стержнем сердечника ?о=0,9 см; [4]

Расстояние между обмоткой и ярмом lo=3 см;

Толщина изоляционного цилиндра в промежутке между обмотками 1 и 2 ?ц12=0,3 см;

Толщина каждого из двух вертикальных каналов ак12=0,5 см;

Полное расстояние между обмотками 1 и 2 ?12=2.ак12 ?ц12=2.0,5 0,3=1,3 см;

Предварительная радиальная толщина обмотки 1 из алюминиевого провода при мощности одного стержня от 50 до 500 КВТ ?1= 3,6…4,4, принимаем ?1=4 см [4].

Предварительная радиальная толщина обмотки 2 при предыдущих мощностях ?2= 2,5…3, принимаем ?2=2,7 см [4].

Предварительное приведенное расстояние между обмотками см.

Средний диаметр обмотки 1 см;

Средний диаметр обмотки 2 см;

Средняя длина витка обмоток см.

Активная составляющая напряжения короткого замыкания

;

Индуктивная составляющая напряжения короткого замыкания

;

Высота обмоток по оси стержня сердечника см;

где Кр= 0,95…0,97 - коэффициент учитывающий переход от средней длины магнитных линий потоков рассеяния к действительной высоте обмоток по оси стержня [4].

Рисунок 2.3 Предварительный эскиз расположения обмоток в окне трансформатора

Высота окна сердечника см.

Отношение высоты окна сердечника к диаметру стержня сердечника

, При обмотках из алюминиевого провода в трансформаторах с масляным охлаждением lc/D0=4,2…5,2 [4]

3. Расчет обмоток трансформатора

Уточнение средней плотности тока в обмотках

А/мм2. где км - коэффициент учитывающий потери в отводах и потери от потоков рассеяния в баке трансформатора. км =0.96…0,92 [4]. ?м - удельный вес алюминия, ?м=2,7 кг/см3.

Предварительная удельная тепловая загрузка поверхности обмотки 1 q - количество теплоты переданное маслом охлаждающей поверхности, q1? 700…900 - при цилиндрической, винтовой обмотке из алюминия, режим продолжительный. Принимаем q1=700 Вт/м2;

Предварительная удельная тепловая загрузка поверхности обмотки 2 q2?500…700 - при многослойной обмотке из алюминия, с проводом круглого сечения. Принимаем q1=500 Вт/м2 [4].

4. Расчет цилиндрической обмотки 1 из провода прямоугольного сечения

Предварительная плотность тока в обмотке 1

А/мм2;

Площадь поперечного сечения провода обмотки 1 мм2.

Цилиндрическая обмотка 1 из провода прямоугольного сечения может иметь один или два слоя, принимаем число слоев nв1=2.

Число витков в слое витков;

Предварительная высота витка вдоль стержня сердечника см;

Число цилиндрических поверхностей охлаждения обмотки где кп?0,75 - коэффициент частичного закрытия поверхности обмотки рейками, образующие вертикальные каналы, принимаем [5].

Окончательно по табл. 5-3 [4] принимаются следующие размеры провода мм где а1 - большая сторона сечения провода;

b1 - меньшая сторона сечения провода;

?u - нормальная изоляция провода, для провода марки ПББО ?u = 0,45 [4];

- число параллельных проводов.

Площадь поперечного сечения провода

= мм2;

где Sm1к - площадь поперечного сечения провода обмотки 1

Плотность тока в обмотке 1

А/мм2;

Толщина витка вдоль стержня сердечника см;

где b1мк - осевая толщина m - ного изолированного параллельного провода.

Удельная тепловая загрузка поверхности обмотки 1

Вт/м2;

Радиальная толщина витка см. au1 = a1 ?u

Высота обмотки 1 вдоль стержня сердечника см;

Радиальная толщина вертикального канала между двумя слоями обмотки 1. Для масляных трансформаторов. ак=0,6 см;

Радиальная толщина обмотки 1 см.

Средний диаметр обмотки 1 см;

Средняя длина витка обмотки 1

см;

Вес металла обмотки 1 кг, где г/см3 - удельный вес обмоточного провода [6].

Потери в обмотке 1 без учета добавочных потерь

Вт;

Сумма толщин всех проводов без изоляции обмотки 1 вдоль стержня см;

Полное число проводов обмотки 1 вдоль радиуса

;

Коэффициент увеличения потерь в обмотке 1 от поверхностного эффекта где ? - удельное сопротивление алюминия при 75 ?C, ? =0,034 Ом?м;

;

Потери в обмотке 1 с учетом добавочных потерь

Вт.

5. Расчет многослойной цилиндрической обмотки 2 из провода круглого сечения

Плотность тока в обмотке 2

А/мм2;

Площадь поперечного сечения провода обмотки 2 мм2.

Число параллельных проводов в обмотке 2

;

Диаметр голого и изолированного провода (таблица 5-1) [4] мм;

Марка провода - АПБ;

Площадь поперечного сечения провода обмотки 2

мм2;

где - площадь поперечного сечения изолированного провода

Плотность тока в обмотке 2

А/мм2;

Расчетный диаметр изолированного провода обмотки 2 с учетом неплотности намотки см;

Толщина витка вдоль стержня сердечника см;

Число витков в одном слое обмотки

Число слоев обмотки 2

, что нежелательно; принимаем ;

Окончательное число витков в слое

, т.е. 10 слоев по 77 витков и 1 слой из 28 витков, т.е. всего витков.

Рабочее напряжение между двумя слоями

В;

Толщина междуслойной изоляции ?мсл=0,036 см;

Выступ междуслойной изоляции на торцах обмотки 2 равен 1,6 см [4];

Число цилиндрических поверхностей охлаждения обмотки 2 на стержень сердечника

;

Принимаем (округляется до целого значения в пределах от 1 до 4)

Удельная тепловая загрузка поверхности обмотки 2

Вт/м2.

Число слоев и витков в слое во внутренней катушке - 1 слой по 77 витков в слое;

Число слоев и витков в слое в наружной катушке - 1 слой по 77 витков и 1 слой из 28 витков;

Радиальная ширина вертикального канала между двумя концентрическими катушками обмотки 2 ак2=0,7 см;

Радиальная толщина обмотки 2 см;

Высота обмотки 2 см.

Уточнение приведенного расстояния см, где - приведенное расстояние между обмотками, см;

- высота обмоток, см.

Уточнение действительного расстояния между обмотками 1 и 2 см;

Средний диаметр обмотки 2 см;

Средняя длина витка обмотки 2 см;

Вес металла обмотки 2 кг.

Потери в обмотке 2 без учета добавочных потерь

Вт;

Коэффициент увеличения потерь в обмотке 2 от поверхностного эффекта

Потери в обмотке 2 с учетом добавочных потерь

Вт.

6. Параметры и относительное изменение напряжения трансформатора

Потери короткого замыкания

Вт, т.е. на 0,3% больше заданного, что допустимо [4].

Активная составляющая напряжения короткого замыкания

%;

Приведенное расстояние между обмотками см;

Коэффициент, учитывающий переход от средней линии магнитных силовых линий потоков рассеяния к высоте обмоток

;

Средняя длина витка обмоток 1 и 2 см;

Индуктивная составляющая напряжения короткого замыкания

%;

Напряжение короткого замыкания

%, т.е. на 3,5% больше задания, что допустимо.

Активное сопротивление обмотки 1

Ом;

Активное сопротивление обмотки 2

Ом;

Активная составляющая сопротивления короткого замыкания, приведенная к числу витков обмотки 1

Ом;

Индуктивная составляющая сопротивления короткого замыкания, приведенная к числу витков обмотки 1

Ом;

Процентное изменение напряжения при номинальной нагрузке (?= 1) и cos ? = 0,8

%.

7. Механические силы в обмотках при коротком замыкании

Установившийся ток к. з. в обмотках

А;

А;

Максимальное значение тока к. з. в обмотке 2

А;

Суммарная радиальная сила при к.з. кг;

Разрывающее напряжение в проводе обмотки 2 кг/см2, что допустимо. Допустимое напряжение для алюминия ? ?600…700 кг/см2

8. Расчет магнитной системы трансформатора

Принимаем: запрессовка стержней сердечника выполнена клиньями между сердечником и обмоткой 1, сердечник без каналов [4];

Ширина пакетов стержней сердечника: см;

см;

см;

см;

см;

см;

Толщина пакетов стержня сердечника (в сердечнике нет каналов): см;

см;

см;

см;

см;

см;

Площадь поперечного сечения ступенчатой фигуры стержня сердечника см2;

Площадь поперечного сечения стали стержня сердечника см2;

Магнитная индукция в стали стержня сердечника

Тл.

Коэффициент увеличения площади поперечного сечения стали ярма кя=1,05; [4]

Поперечное сечение стали ярма см2;

Магнитная индукция в стали ярма

Тл;

Высота ярма сердечника

;

см;

Толщина ярма перпендикулярно листам стали см.

Наружный диаметр обмотки 2 см;

Расстояние между осями стержней сердечника см;

Длина ярма сердечника см;

Длина стержней сердечника см;

Вес стали стержней сердечника кг;

Вес стали ярем сердечника кг;

Полный вес стали сердечника кг.

Вес металла обмоток кг;

Отношение веса стали к весу металла обмоток

.

Потери в стали сердечника (потери холостого хода) [5]

где

Gy= Gc.у. Gя.у.= ?SС•2b1 ?SЯ•2b1

Gy =7,6•216•2•17,19•10-3 7,6•226•2•17,19•10-3=56,4 59,1=115,5 кг;

Ку=1,5, [5]

P10=1,75 Вт/кг; Р10я=1,57 Вт/кг; [4] т.о.

Вт;

т.е. на 4% больше заданного, что допустимо.

Сборка сердечника - впереплет.

Число эквивалентных магнитных зазоров в сердечнике крайней фазы с магнитной индукцией Вс

;

Число эквивалентных магнитных зазоров в сердечнике крайней фазы с магнитной индукцией Вя

;

Амплитуда намагничивающего тока крайней фазы обмотки 1

где awc - удельные магнитодвижущие силы (МДС) в стержне; [4] awя - удельные МДС в ярме; [4] ?э - длина эквивалентного воздушного зазора в стержне и ярме при сборке сердечника в переплет, ?э = 0,005 см [4].

А;

Число зазоров в сердечнике средней фазы с магнитной индукцией Вс

;

Число зазоров в сердечнике средней фазы с магнитной индукцией Вя

;

Амплитуда намагничивающего тока средней фазы обмотки 1

А;

Среднее значение амплитуды намагничивающего тока для трех фаз

А.

Реактивная составляющая фазного тока холостого хода обмотки 1

А. где KA1 - коэффициент амплитуды, зависящий от магнитной индукции и вида стали.

Реактивная составляющая фазного тока холостого хода по упрощенному методу расчета где ?с - коэффициент учитывающий соединение обмоток на стороне питания, ?с=1 если обмотки соединены в треугольник или звезду с нулевым проводом, ?с=1…0,92 если на стороне питания обмотки соединены в звезду без нулевого провода;

ррс - удельная реактивная мощность намагничивания листовой электротехнической стали, ррс = 22…44;

р?с - удельная реактивная мощность намагничивания мест сопряжения стальных листов р?с = 1,8…2,7 при В=Вс;

р?я - удельная реактивная мощность намагничивания мест сопряжения ярма р?я = 1,7…2,2 при В=Вя.

А;

Реактивная составляющая линейного тока холостого хода по упрощенному методу расчета

А.

Активная составляющая фазного тока холостого кода обмотки 1

А;

Фазный ток холостого хода

А;

Линейный ток холостого хода обмотки 1 , т. к. соединение «звезда».

Линейный ток холостого хода в процентах от номинального тока

%, т.е. на 2% больше заданной величины, что допустимо.

9. Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия при номинальной нагрузке и cos ? = 0,8

%;

Кратность тока нагрузки, при которой коэффициент полезного действия максимальный

;

Максимальное значение КПД при cos ?2 = 0,8

%.

Проектирование трансформаторов включает в себя расчет и их конструирование. В данной курсовой работе рассматривался только расчет силового трехфазного трансформатора с масляным охлаждением мощностью 400 КВА напряжением 10/0,4 КВ.

На основе задания и исходных данных выбираем трехфазный масляный трансформатор, соответствующий требованиям ГОСТ 11677, ГОСТ 11920, ГОСТ-15150, марки ТМГ-400/10-0,4 - У1 - трансформатор трехфазный силовой масляный герметичного исполнения (без маслорасширителя) общего назначения мощностью 400 КВ-А с естественным масляным охлаждением, с напряжением на высокой стороне 10 КВ, на низкой - 0,4 КВ, климатического исполнения для умеренного климата.

1. Беспалов, В.Я. Электрические машины [Текст]: учебник / В.Я. Беспалов [и др.]. - М.: Академия, 2006. - 313 с.

2. Ванурин, В.Н. Электрические машины [Текст]: учебник / В.Н. Ванурин. - М.: Энергия, 2006. - 380 с.

3. Епифанов, А.П. Электрические машины [Текст]: учебник / А.П. Епифанов. - М.: Лань, 2006. - 263 с.

4. Тихомиров, П.М. Расчет трансформаторов [Текст]: учебник / П.М. Тихомиров. - М.: Энергия, 1976. - 544 с.

5. Дымков, А.М. Расчет и конструирование трансформаторов [Текст]: учебник / А.М. Дымков. - М.: Высш. шк., 1971. - 264 с.

6. Сергеев, П.С. Проектирование электрических машин [Текст]: учебник / П.С. Сергеев, Н.В. Виноградов, Ф.А. Горяинов. - М.: Энергия, 1969. - 632 с.

7. Ермолин, Н.П. Расчет силовых трансформаторов [Текст]: пособие по курсовому проектированию / Н.П. Ермолин, Г.Г. Швец. - Л.: ЛЭТИ, 1964. - 167 с.

Размещено на .ru