Содержание работы
Аннотация
Введение
Аналитическийобзор
Расчеты иосновные результаты работы:
1. Техническоезадание
2. Предварительный расчёттрансформатора
3. Расчёт обмоткинизкого напряжения
4. Расчёт обмоткивысокого напряжения
5. Расчёт параметровкороткого замыкания
6. Расчёт магнитнойсистемы трансформатора
7. Расчёт потерь итока холостого хода
8. Тепловой расчет
9. Расчёт основныхгеометрических размеров бака трансформатора
10. Тепловой расчёт бака. Окончательныйрасчёт превышения температуры обмоток и масла
11. Определение массы масла иконструктивных материалов
12. Коэффициент полезного действиятрансформатора
Заключение
Списокиспользуемой литературы
Приложения
Аннотация
Темников Ю.В. Трансформатор масляный герметизированныйТМВГ-630/6.
Страниц:
Иллюстраций:
Приложений:
Таблиц:
Представлены результаты расчетамасляного трансформатора на мощность Sн=630 кВА,напряжение высокой стороны UВН=6300 В, напряжение низкой стороны UHH=690 В, при частоте питающей сети f=50 Гц.
Спроектирован вариантгерметизированного трехфазного двухобмоточного масляного трансформатора спространственной навитой магнитной системой из холоднокатаной анизотропнойстали марки 3406. Сборка магнитной системы: магнитопровод состоит из треховальных пакетов, собранных из стальной ленты переменной ширины. Обмотка НН изалюминиевой ленты, обмотка ВН – непрерывная катушечная из прямоугольногоалюминиевого провода. Расчет выполнен в соответствии с рекомендациями, данными,изложенными в учебном пособии Тихомирова П.М. «Расчет трансформаторов», М.: Энергоатомиздат,1996. – 528с.: ил.
Введение
Трансформатор – статическоеэлектромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмотоки предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукцииодной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других системпеременного тока.
Принято различать трансформаторымалой мощности с выходной мощностью до 5 кВА для трехфазных сетей и силовыетрансформаторы с выходной мощностью от 5 кВА и выше.
В данной работе спроектирован силовойтрансформатор, мощностью 630 кВА.
Навитая магнитная система,использованная в проекте, позволила уменьшить массу используемойэлектротехнической стали, и улучшить характеристики холостого хода (подробнее впункте 7). Герметизированная конструкция бака с волнами позволила отказаться отгромоздких радиаторов, которые значительно увеличивали бы габаритытрансформатора, и от расширителя, тем самым сэкономить на трансформаторноммасле (подробнее в пунктах 10-12).
Современные способы изготовления витыхмагнитопроводов позволяют значительно сэкономить на их сборке. В настоящеевремя начинается применение лазеров в резке электротехнической стали. ИсследованияБухановой И.Ф., Дивинского В.В и Журавеля В.Э – сотрудников НПЦ «Лазертерм» АОВНИИЭТО – показали, что «одним из самых перспективных бесконтактных методовуменьшения потерь на перемагничивание анизотропной электротехнической стали,является лазерная обработка поверхности. При локальном лазерном нагреве вповерхностных слоях материала создаются термические напряжения, изменяющиехарактер доменной структуры в зонах, прилегающих к лазерной дорожке.Разработанный экологически чистый технологический процесс обработки поверхностиэлектротехнической стали излучением непрерывного СО2-лазерапозволяет обрабатывать трансформаторную сталь без нарушения изоляционногопокрытия и создания дополнительных механических напряжений». Затраты на новуютехнологию окупятся на заводе менее чем за год, при увеличении стоимоститрансформатора на 5%. При этом покупатель получает трансформатор немного дорожеаналогичного, но более выгодного в эксплуатации. За первый же год эксплуатациипокупатель экономит на электроэнергии сверх той суммы, что он переплатил заболее современный трансформатор.
Аналогичный эффект можно получить прииспользовании навитой магнитной системы. Соответственно, при внедрении обеихтехнологий в трансформаторостроение можно получить внушительный экономическийэффект. Подобная технология немного увеличит стоимость трансформатора, нозначительно упростит его производство и улучшит его качество. Такойтрансформатор более выгодный в эксплуатации, чем трансформатор, выполненный постарой технологии (в особенности трансформатор с плоской магнитной системой).
Также уменьшению потерь холостогохода способствует применение современных видов холоднокатаной анизотропнойэлектротехнической стали, таких как 3408 и 3409. Удельные потери этих видовсталей меньше потерь устаревших 3404 и 3405. К сожалению, в настоящее время внашей стране нет производителей качественной электротехнической стали, заисключением нескольких заводов. Этот фактор сказывается на ее цене. Болеесовременная саль дороже, но обеспечивает снижение магнитных потерь втрансформаторе, в особенности, если сталь имеет малую толщину, например 0,27мм.
С учетом вышеописанных возможностей вданном проекте рассчитан трансформатор, имеющий пространственную навитуюмагнитную систему, изготовленную из стали 3406 (лучшую из описанных в доступнойлитературе).
АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
Краткое описание конструкции трансформатора.Главной частью трансформатора является, так называемая, активная часть,включающая в себя магнитопровод и обмотки. Обмотки служат для трансформации электрическойэнергии в энергию магнитного поля. Магнитопровод служит для передачи энергиимагнитного поля. Активная часть полностью погружена в трансформаторное масло,служащее изолятором и теплоотводом. Активная часть зафиксирована в баке припомощи подъемных шпилек. Бак полностью герметичен, масло заливается подвакуумом. Структура стенок бака позволила отказаться от расширителя масла. Набаке установлены вводы – проходные изоляторы, для подключения нагрузки и сети.Внутри активной части расположено устройство ПБВ, переключатель которогонаходится на крышке бака. Также на крышке расположены коробка выводов, дляподключения устройств автоматики, таких как термодатчик и мановакуумметр;пробка для заполнения маслом. Внизу бака имеется пробка для слива масла и зажимзаземления. Ко дну бака приварены швеллеры с переставными катками, длятранспортировки и установки трансформатора.
Описание основных материалов,используемых в трансформаторе.
Материалы, применяемые дляизготовления трансформатора, разделяются на активные, т.е. сталь магнитнойсистемы, металл обмоток и отводов; изоляционные, применяемые для электрическойизоляции обмоток и других частей трансформатора, например электроизоляционныйкартон, фарфор, дерево, трансформаторное масло и др.; конструкционные, идущиена изготовление бака, различных крепежных частей и т.д., и прочие материалы,употребляемые в сравнительно небольших количествах.
Одним из основных активных материаловтрансформатора является тонколистовая холоднокатаная анизотропнаяэлектротехническая сталь. Это сталь с определённой ориентировкой доменов,имеющая значительно меньшие удельные потери и более высокую магнитнуюпроницаемость по сравнению с горячекатаной сталью.
Одной из существенных особенностейхолоднокатаной стали является анизотропия её магнитных свойств, т.е. различиеэтих свойств в различных направлениях внутри листа стали. Наилучшие магнитныесвойства эта сталь имеет в направлении прокатки. Магнитные свойства существенноухудшаются, если вектор индукции магнитного поля направлен под углом,отличающимся от 00, к направлению прокатки.
Другой активный материалтрансформатора — металл обмоток. В трансформаторах средней мощности чащеприменяется алюминий. Плотность алюминия 2700 кг/м3. Таким образом,алюминий примерно в 3,5 раза легче меди. При этом стоимость алюминиязначительно меньше стоимости меди, которой в электромашиностроении применяютсялишь несколько видов… Температура плавления 657 0С, удельноесопротивление 0,5 мкОмּм., предел прочности при растяженииσР=160-170 МПа.
Главным изоляционным материалом всиловых трансформаторах является трансформаторное масло (ГОСТ 982-80) — жидкийдиэлектрик, сочетающий высокие изоляционные свойства со свойствами активнойохлаждающей среды и теплоносителя. В данном проекте использовано масло ТК-1500.
Кабельная бумага (ГОСТ 23436-83)изготовляется из сульфатной небелёной целлюлозы и выпускается в рулонах шириной500, 650, 670, 700, 750 и 1000 мм (±3 мм) при диаметре рулона от 450 до 800 мм. В трансформаторах применяется бумага главным образом марки К-120 толщиной120 мкм для изоляции обмоточного провода; в виде полос разной ширины для межслойнойизоляции и в многослойных цилиндрических обмотках класса напряжения 6, 10 ,20 и35 кВ; в виде полосок шириной 20-40 мм, наматываемых вручную.
Картон электроизоляционный(ГСТ494-83) марки Г – картон средней плотности с повышенным сопротивлением красслаиванию, применяется для получения склеенного картона и изготовленияизоляционных деталей. Плотность 1000 кг/м3, толщина листа, используемогов проекте – 0,50мм, ширина рулона 1000мм.
Трубки электротехническиебумажно-бакелитовые (ГОСТ 8726-80). Изготавливаются путем намотки изэлектроизоляционной пропиточной или намоточной бумаги, предварительно покрытойпленкой бакелитового лака с последующей лакировкой и полимеризацией лака.Выпускаются трубки марки ТБ. Длительно допустимые рабочие температуры от -60 до+105 0С. Трубки обладают высокой электрической и механическойпрочностью.
Дерево (бук). В масляныхтрансформаторах применяется для реек, прокладываемых между слоями обмоток прирабочем напряжением не свыше 10кВ. В данном проекте, также используется вкачестве опоры для остова. Многослойные плиты из шпона используются в качествепрессующих колец
Фарфор, использован во вводах.
К конструкционным материалам можноотнести тонколистовую сталь, из которой изготовлен бак, и сталь, из которойизготовлены швеллеры; чугун, из которого изготовлены катки; стеклолента,используемая при стяжке навитых полуколец.
В настоящее время трансформаторы снавитой пространственной магнитной системой и герметичным баком встречаютсякрайне редко, это обусловлено консерватизмом в трансфоматоростроении. Поэтому данныедля сравнения отсутствуют. В настоящее время на рынке можно найти лишь одинтрансформатор подобного исполнения – ТМВГ – 250/10. В виду схожести конструкциирассчитываемый трансформатор относим к той же серии.
РАСЧЕТЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
1. Техническое задание
S =630 кВ А — полная мощность;
m =3 — число фаз трансформатора;
f=50 — частота сети;
U1Н /U2Н=6.3/0.69 кВ — номинальное напряжение;
Δ/Y -11 — схема и группасоединения;
uк =5.0% — напряжение короткого замыкания;
i0=1.5% — ток холостогохода;
P =1.3 кВт — потери холостого хода;
P =7.2 кВт — потери короткогозамыкания;
n =5 — число ступеней переключениянапряжения;
способ охлаждения — масляное,естественное;
установка — наружная.
2. Предварительный расчеттрансформатора
2.1. Расчет основных электрическихвеличин
2.1.1. Мощность одной фазы и одногостержня:
SФ=SН/3=630/3=210кВА
2.1.2. Номинальные токи:
на стороне ВН (Δ): IВНЛ=/>=57,74 А
на стороне НН (Y): IННЛ=/>=527,15 А
2.1.3. Фазные токи:
на стороне ВН (Δ): IВНФ= />33,34 А
на стороне НН (Y): IННФ=IННЛ=527,15А
2.1.4. Фазные напряжения:
на стороне ВН (Δ): UВНФ=UВНЛ=6300 В
на стороне НН (Y): UННФ=/>=398,37 B
2.1.5. Испытательные напряжения(определяются по табл.4.1 [1]):
на стороне ВН (Δ): UВНисп=25кВ
на стороне НН (Y): UННисп=5 кB
2.1.6. Для испытательного напряженияобмотки ВН (UВНисп=25 кВ) находим изоляционные расстояния (потабл.4.5 [1])
Таблица 1. Изоляция обмоток ВН длямасляных трансформаторов
Uисп для ВН, кВ
ВН от ярма, l0, мм Между ВН и НН, мм Между ВН и ВН, мм
a12
δ12
lЦ2
a22
δ22 25 30 9 3 15 10 - /> /> /> /> /> /> /> />
2.1.7. Для испытательного напряженияобмотки НН (UННисп=5 кВ) находим изоляционные расстояния (потабл.4.4 [1]):
Таблица 2. Изоляция обмоток НН длямасляных трансформаторов
Uисп для НН, кВ
НН от ярма, l0, мм НН от стержня, мм
ац2
δ01
lЦ1
а01 25 30 - Картон 2х0,5 - 5
2.1.8. Активная составляющаянапряжения короткого замыкания, %:
Uка=/>1,14%
2.1.9 Реактивная составляющаянапряжения короткого замыкания, %:
Uкр=/>=4,87%
2.2. Выбор марки стали и конструкциимагнитной системы.
Выбираем пространственную навитуюнеразрезную трехфазную магнитную систему, состоящую их трех навитых колец.Сечение каждого полукольца вписано в окружность. Прессовка стержнейосуществляется стеклолентой шириной 20мм. Ярма не прессуются. Эскиз на рисунке1.
Материал магнитной системы –холоднокатаная анизотропная электротехническая сталь марки 3406, толщина листа0,27мм. Изоляционное покрытие — нагревостойкое без лакировки. Индукция встержне Вс = 1,6Тл (по табл.2.4 [1]). Коэффициент заполнения сталью kз=0,95 (по табл.2.2 [1]), коэффициент заполнения круга kкр=0,904 (стр.371 [1]).
Коэффициент заполнения круга сталью –kc=kкр ·kз=0,95 · 0,904=0,859.
/>
рис.1. Эскиз магнитопроводатрансформатора.
2.3. Расчет основных коэффициентов.
ap=/>,где а12=0,009м (табл.1),
k=0,53 ·1,25 (табл. 3,3 [1]),
SI=210 кВА – мощность на один стержень,
ap=/>мм–
ширина приведенного канала рассеяния.
Kp=0,95 — коэффициент Роговского,приводит идеализированного поля рассеяния к реальному.
При анализе влияния коэффициента β на основные параметры трансформатора, было выявлено, чтооптимальным, с точки зрения минимизации потерь, является значение β = 1,326. Значение всех коэффициентов и величин при β = 1,0,1,326, 1,5, 1,8 приведены в таблице 3. Окончательное значение коэффициента былоскорректировано так, чтобы диаметр стержня d=0,19м.
Таким образом, принимаем: β = 1,326.
x= />
/>,
где f — частота сети;
/>400,246 кг, где а = 1,4 · 1,06 (потабл.3.4 [1]);
/>= />29,1кг, где l0=0,03м (табл.1);
/>198,43 кг, где b=0,4·1,25 (по табл.3.5 [1]);
/>=10,736кг;
K0=1,2×10-2 — для алюминия (стр.132 [1]);
/>264.769 кг,
где kд = 0,93 – коэффициент добавочных потерь (по табл.3.6 [1]);
/>41,811;
/> МПа;
2.4. Масса стержней:
Gc=/>=406,494 кг;
2.5. Масса ярем:
Gя=/>257,56кг;
2.6. Масса стали:
Gcт=Gc+Gя = 406,494+257,56=664,053 кг
2.7. Определим потери холостого хода(по пункту 8.2 [1]):
Активные потери в стали:
Pх=kпт·kпи·pс·Gст, где kпт= 1,06 – коэффициент, учитывающий технологическиефакторы;
kпи=1,33 – коэффициент, учитывающийискажение
формы кривой магнитного потока ииндукции;
pc=1.080 Вт/кг – удельные потери встали 3406 при индукции 1,6 Тл;
Pх=kпт·kпи·pс·Gст = 1,06·1,33·1,080·664,053=1011 Вт, что составляет примерно78% от заданного значения (1011·100/1300 = 77,77%);
2.8. Полная намагничивающая мощность:
Qx=kтт·kти·qc·Gcт, где kтт=1,15 –коэффициент, учитывающийнесовершенство
технологии и отжига;
kти=1,50 – коэффициент, учитывающийискажение
формы кривой магнитной индукции;
qc=1.560 ВА/кг – полная удельнаянамагничивающая
мощность в стали 3406 при индукции1,6 Тл;
Qx=kтт·kти·qc·Gcт=1,15·1,50·1,560·664,053=1787 ВА;
2.9. Относительное значение токахолостого хода:
i0= />0,284%,
что составляет примерно 18,9% отзаданного значения (0,284·100/1,5 = 18,933%);
i0a= />0,16% —
активная составляющая тока холостогохода.
2.10. Масса обмоток:
Gо= /> кг — масса металла обмоток;
Gпр=1,13·Go=1,13·229,93=259,82 кг — массапровода с изоляцией;
2.11. Плотность тока в обмотках:
J= />1.511 A/мм2, где k1=12,75 – для алюминия;
2.12. Растягивающее напряжение впроводе обмотки:
σ=М·х3=6,435·1,0733=7,952МПа;
2.13. Диаметр стержня:
d=A·x=0,177·1,073=0,19м;
2.14. Расстояние между стержнями:
С=a·A·x+a12+a22+b·A·x=1,484·0,177·1,073+0,009+0,01+0,5·0,177·1,073==0,396 м;
2.15. Высота обмотки:
Lo= />0,668 м;
2.16. Сечение стержня:
Пс= />=0,024 м2;
2.17. Сечение ярма:
Пя=Пс/2=0,012 м2;
2.18. Напряжение витка:
uv=4,44·f·Вс·Пс=4,44·50·1,6·0,024=8,644 В;
2.19. Относительная стоимостьактивных материалов:
Сакт=kос·Gпр+Gст=1,61·259,82+664,053=1082.
2.20. Сведем полученные значения втаблицу 3:
Таблица 3. Предварительный расчеттрансформатора типа ТМВГ-630/6, с навитой пространственной магнитной системой иалюминиевыми обмотками.β 1,0 1,2 1,326 1,5 1,8
x= /> 1,000 1,047 1,073 1,107 1,158
/> 400,246 382,412 372,985 361,663 345,548
А2·х2=29,1·х2 29,100 31,877 33,509 35,64 39,041
Gc= />+ А2·х2 429,346 414,289 406,494 397,303 384,590
B1·x3=198,43·х3 198,430 227,506 245,197 268,953 308,363
B2·x2=10,736·х2 10,736 11,760 12,363 13,149 14,404
Gя= B1·x3+ B2·x2 209,166 239,267 257,560 282,101 322,766
Gcт=Gc+Gя 638,512 653,556 664,053 679,404 707,356
Pх=1,06·1,33·1,080·Gст 972,19 995,10 1011,00 1034,00 1077,00
Qx=1,15·1,5·1,560·Gcт 1718 1759 1787 1828 1903
i0= /> 0,273 0,279 0,284 0,290 0,302
Gо= /> 264,769 241,700 229,930 216,183 197,347
Gпр=1,13·Go 299,189 273,121 259,820 244,287 223,002
Сакт=kос·Gпр+Gст 1120 1093 1082 1073 1066
J= /> 1,408 1,474 1,511 1,559 1,631
σ=М·х3=6,435· х3 6,435 7,378 7,952 8,722 10,000 d=A·x=0,177·х 0,177 0,185 0,190 0,196 0,205
Lo= /> 0,825 0,720 0,668 0,609 0,531
С=a·A·x+a12+a22+b·A·x 0,370 0,387 0,396 0,408 0,426
Проанализируем таблицу. Допуск напотери холостого хода +7,5%, на значение тока холостого хода +15%,рекомендованная плотность тока 1,2-2,5 А/мм2, допустимое σ=25МПа. Перечисленные величины, при взятых выше β лежат в пределах допусков.
Целью данного проекта является расчеттрансформатора, имеющего минимальные потери на ХХ и минимальный расход стали.Однако должна также учитываться масса обмоток и стоимость активных материалов.В связи с этим, считаю оптимальным значение β равным примерно 1,3-1,4.Примем диаметр стержня равным 0,19м и получим β=1,326. Дальнейший расчеттрансформатора ведем с применением этого значения.
3. Расчет обмотки низкого напряжения.
Для удобства расчетов примем высотуобмоток Lo=0,665м, тогда значение β=1,332.
3.1 Число витков обмотки НН:
WHH=/> витков, округлим полученное число до целого:
WHH=46
Тогда: uv= />=8,66 В;
3.2. Сечение витка:
ПНН= />=348,8 мм2;
Выбираем тип обмотки из алюминиевойленты, шириной 665мм и толщиной b=0,5мм,сечением ПННВ=332,5 мм2;
3.3. Плотность тока:
JНН=/>1,585 А/мм2;
Принимаем плотность теплового потокана поверхности обмотки:
q=1000 Вт/м2;
3.4. Максимальный радиальный размеркатушки обмотки:
bp=/>0,0185 м, где k3=0,8 для цилиндрических обмоток;
В этот размер можно уложить не более37 витков. Разбиваем обмотку на две катушки по w=23 витка в каждой с изоляцией из кабельной бумаги К-120 иохлаждающим каналом, между катушками 6мм.
3.5. Радиальный размер обмотки:
Размер одной катушки:
23·0,5+22·0,12=14,14 мм
Итак, радиальный размер обмоткипримерно d1 = 34мм.
3.6. Внутренний и внешний диаметрыобмоток:
D1внутр=d+2·а01=0,19+2·0,005=0,200м;
D1внеш= D1внутр +2·d1=0,20+2·0,034=0,268 м.
3.7. Плотность теплового потока:
qHH=/> =663,168Вт/м2,где k3 – коэффициент закрытия поверхности,
kД – коэффициент добавочных потерь, определен в пункте 5.2.1.
3.8. Масса алюминиевой ленты иизоляции:
Основываясь на эскизе обмотки НН(рис. 2) определим массу алюминия и кабельной бумаге (плотность алюминия γА=2700кг/м3, а бумаги γбум= 750 кг/м3):
Объем алюминия и изоляции:
Vал=11250 мм2;
Vбум=2595 мм2;
Масса алюминия и изоляции:
GHH=3· Vал · γА =3·11250·2700=91,1 кг;
Gизол=3· Vбум· γбум=3·2595·750=5,8 кг.
/>
рис.2. Структура обмотки НН.
С торцов обмотки кабельная бумагавыступает на 10мм, к этим частям бумаги приклеиваются ленты картона, дляпридания жесткости торцевым частям обмотки и дополнительной изоляции.
4. Расчет обмотки высокогонапряжения.
Обмотка ВН соединена в треугольник,соответственно регулировочные витки располагаем в середине (рис.3) катушки, таккак при другом расположении витков контакты переключающего устройства попадаютпод номинальное напряжение. С учетом этого обстоятельства возможно применениетолько непрерывной катушечной обмотки (в случае применения механическогопереключателя).
Обмотку выполняем из прямоугольногоалюминиевого провода марки АПБ.
4.1. Число витков при номинальномнапряжении:
WВH=/>витков;
Округлим: WВH=727 витков.
4.2. Число витков на одной ступенирегулирования (+/- 5%):
N=UВНф·0,05=6300·0,05=315
wp=/>36 витков
4.3. Число витков на 5 ступеняхрегулирования:Напряжение, В Число витков 6612
727+36=763 6456
727+0,5·36=745 6300
727 6144
727-0,5·36=709 5988
727-36=691
4.4. Плотность тока в обмотке ВН:
JВН=2·J-JHH=2·1,511-1,585=1,437
4.5. Сечение витка:
ПВН=/>23,191 мм2;
Выбираем (по табл.5.2 [1]):
АПБ/> сечением ПВН=20,8мм2.
4.6. Уточненная плотность тока вобмотке ВН:
JВН =/>1,602 А/мм2.
4.7. Число катушек:
nкат= />44,04 катушки, где
b/ — ширина провода с изоляцией, м;
hk – осевой канал между катушками, м.
Принимаем nкат=43.
4.8. Число витков в катушке:
W =/>, принимаем 18.
4.9. Данные катушек:
Таблица 4. Данные катушек обмотки ВНДанные Условные обозначения катушек Всего А Б В Назначение катушки Основная Основная Регулир. - Число катушек 11 26 6 43 Число витков в катушке 17 18 18 - Всего витков 187 486 108 763
Радиальный размер, ap, мм 45* 45 45 -
* — вплетаются полосы картона дорадиального размера 45мм.
/>
рис.3. Схема выполнения ответвлений вобмотке НН при ПБВ.
Размер масляного канала в местеразрыва обмотки 8мм. В обмотке 31 осевой канал шириной 4,5мм и 10 каналов 4мм.Итого:
L=43·11,1+31·4,5+10·4+8=664,8 мм –высота обмотки.
/>
рис.4. Структура обмотки ВН.
4.10. Плотность теплового потока:
qВH=/> =392,14Вт/м2, меньше значения из графика 5.34 [1].
Между обмотками ВН и НН помещаембумажно-бакелитовый цилиндр толщиной 3мм, внутренним диаметром 137мм.
4.11. Масса алюминия (формула 7.7[1]):
GВН=8,47·103·с·Dср·w·ПВН=8,47·103·3·331·763·20,8=133,5 кг,где
с – число стержней;
Dcp – средний диаметр обмотки;
4.12. Внутренний и внешний диаметрыобмоток:
D2внутр= D1внутр +2·а12=0,268+2·0,009=0,286м;
D2внеш= D2внутр +2·ар=0,286+2·0,045=0,376 м.
4.13. Масса обмоток:
Go=GHH+GВН=91,1+133,5=224,6кг.
Алюминиевого провода потребовалось на5,3кг меньше, чем было рассчитано в пункте 2.10.
5. Расчет параметров короткогозамыкания
5.1. Потери КЗ:
На низкой стороне:
PоснНН=12,75·JHH·GHH=12,75·1,585·91,1=2920 Вт (при t0обмоток 750С);
На высокой стороне:
PоснВН=12,75·JВH·GВH=12,75·1,602·133,5=4371 Вт.
5.2. Добавочные потери:
5.2.1. Добавочные коэффициенты:
На низкой стороне:
kд=1+0,037·10-4·β2·a4·n2 – коэффициент добавочных потерь, где
β=/>,
где b – осевой размер проводника,
l – осевой размер обмотки;
а – радиальный размер проводника;
n – число витков.
β=/>=/>=0,95
kдНН=1+0,037·10-4·β2·a4·n2=1+0,037·10-4·0,952·0,54·462=1,0004
На высокой стороне:
β=/>=/>=0,651,
где m – число проводников в радиальном направлении
kдВН=1+0,037·10-4·β2·a4·n2=1+0,037·10-4·0,6512·2,04·432=1,008
5.2.2. Потери в отводах:
На низкой стороне:
Длина провода при соединении взвезду:
lотв=7,5Lo=7,5·0,665=4,988м;
Масса отвода:
GотвНН=lотв·ПНН·γА=4,988·332,5·2700·10-6=4,478кг;
Потери:
PотвНН=12,75·JНH2·GотвНН=12,75·1,5852·4,478=143,5Вт.
На высокой стороне:
Длина провода при соединении втреугольник:
lотв=14·Lo=14·0,665=9,31м;
Масса отвода:
GотвВН=lотв·ПВН·γА=9,31·20,8·2700·10-6=0,523кг;
Потери:
PотвВН=12,75·JВH2·GотвВН=12,75·1,6022·0,523=17,1Вт.
5.2.3. Потери в стенках бака:
Pбак=10·k·S=10·0,015·630=94,5Вт, где k по табл.7.1 [1].
5.3. Полные потери.
Pk=PоснНН·kдНН+PоснВН·kдВН+PотвНН+PотвВН+Pбак= =2920·1,0004+4371·1,008+143,5+17,1+94,5=7581 Вт.
Для номинального напряжения:
Pk=7581 – 0,05·PоснВН·kдВН=7581 – 0,05·4371·1,008=7361 Вт;
/>=2,24% — отклонение от заданногозначения.
5.4. Напряжение короткого замыкания.
Активная составляющая напряжениякороткого замыкания:
ua=/>1.168%;
kp=1 – σ(1 – e-1/σ) – коэффициент, учитывающийотклонение реального поля рассеяния от идеализированного;
σ= />;
kp=1 – σ(1 – e-1/σ)= 1 – 0,042(1 – e-1/0,042)=0,958;
ар=а12+/>= 0,009+/>=0,035мм;
up/=/>=/>=4,938%
kq=1+/>=1+/>1,001;
Реактивная часть напряжения КЗ:
up=kq·up/=1,001·4,828=4.943%
Напряжение КЗ:
uk= />=/>=5,079%
/>=1,6% — отклонение от заданногозначения.
5.5. Определение механических сил вобмотках
Для трансформаторов мощностью менее1,0 МВА действующее значение наибольшего установившегося тока КЗ:
IкуВН=/>656,291 А;
kmax= />–по таблице 7.3 [1], коэффициент учитывающий максимально возможнуюапериодическую составляющую тока КЗ;
ikmax= />=2,1·656,291=1378А – ударный ток короткого замыкания;
Радиальная сила:
Fp=0,628·(ikmax·WBH)2·β·kp·10-6=0,628·(1378·727)2·1·0,958·10-6=80420Н;
Напряжение сжатия:
На низкой стороне:
σsHH = />МПа;
На высокой стороне:
σsВH = />МПа;
/> от предельно допустимого значения25МПа;
Осевые силы:
F/ос= />Н;
F//ос= />Н,
где l// — расстояние от стержня до стенки бака;
m — по рисунку 7.11 [1];
Сжимающие силы:
По рисунку 7.11 [1]:
/>
Рис.5. Сжимающие силы в обмотке ВН.
FсжВН= F/ос — F//ос=20690 – 13230=7464 Н – на высокойстороне;
/>
Рис.6. Сжимающие силы в обмотке НН.
FсжНН= F/ос + F//ос=20690 + 13230=33920 Н – на низкойстороне;
σсжНН=/>МПа, где
/> - средний диаметр обмотки НН;
а/ — радиальный размералюминиевых лент (суммарный);
Обмотки после сборки прессуютсясилой, близкой к 34кН.
5.6. Температура обмоток спустя 5спосле возникновения КЗ:
Θ=/>=/>=156 0С,
где J – средняя плотность тока.
Температура соответствует допустимойнорме — 2000С.
6. Расчет магнитной системы
6.1. Полное сечение стержня:
Пфс=/>м2;
Активное сечение стержня:
Пс=k3Пфc=0,95·0,026=0,024м2;
6.2. Определение размеров кольца:
/>
Рис.7. Полукольцо магнитопровода.
Длина стержня:
Lст=Lo+2lтех=0,665+2·0,03=0,725м,
где lтех – отступ необходимый для разъемного диска, который фиксируетдва кольца при вращении (намотка стеклоленты, обмотки);
Размер «окна» между двумя стержнями:
C=D2внеш+0,014=0,39м;
Прочие размеры:
А=С+0,71·d=0,39+0,71·0,19=0,525м;
В=0,75·d=0,75·0,19=0,142м;
b=/>0,113м;
Координата центра тяжести сечениястержня:
ац=0,342·d=0,342·0,19=0,065м;
r=0,02м – радиус сопряженияярмо-стержень;
R=/>=0,374м;
Длина средней линии кольца поположению центра тяжести:
α=arcsin/>0,251 рад =14,4о;
Lcp=/>=
=/>=1,99м;
6.3. Масса стали навитой магнитнойсистемы:
γст=7650 кг/м3– плотность электротехнической стали (холоднокатаной);
Gст=1,5·Lcp·Пс·γст=1,5·1,99·0,024·7650=555,8кг.
Масса стали получилась на 109,8кгменьше рассчитанной в предварительном расчете. Однако, это делает некоторыепреимущества, например, уменьшились и потери холостого хода, ток холостогохода, уменьшилась стоимость трансформатора, так как сталь марки 3406дорогостоящая (уменьшение массы стали дает большую экономию, чем уменьшениемассы обмоток), трансформатор стал значительно легче, что в наше время являетсяважным фактором.
Сечение полукольца можнорассматривать состоящим из 4 пакетов. На самом деле магнитопровод навивается изленты стали переменной ширины. Чтобы отходов стали было как можно меньше, лентусваривают из 4 отрезков точечной сваркой. В данном случае имеем:
/>
Рис.8. Сечение стержня.
1 отрезок ленты: ширина от 26,8мм до78,2мм; 165 слоев;
2 отрезок ленты: ширина от 78,2мм до94,7мм; 87 слоев;
3 отрезок ленты: ширина от 94,7мм до109,4мм; 176 слоев;
2 отрезок ленты: ширина от 109,4мм до94,9мм; 128 слоев.
Между полукольцами укладываетсяизоляция из электрокартона в 1 слой – 0,5мм. Полукольца подвергаются отжигу.Скрепление двух полуколец осуществляется стеклолентой шириной 20мм.
7. Расчет потерь холостого хода итока холостого хода.
7.1. Расчет потерь холостого хода:
В рассматриваемой пространственнойсистеме следует учитывать, что при расчетной индукции в стержне Вс, перваягармоническая составляющая индукции, в отдельных частях магнитопровода, можетдостигать значения в 1,15 раза больше. При этом возникает гармоническаясоставляющая потока, которая уменьшает значение индукции в 1,14 раз.Соответственно максимальным значение индукции в системе можно считать принятоеВс. Понятие угла в данной системе не имеет места, однородность каждого кольцапозволяет не разделять его на стержни и ярма.
Активные потери в стали:
Pх=kпт·kпи·pс·Gст,
где kпт= 1,06 – коэффициент, учитывающий технологические факторы;
kпи=1,33 – коэффициент, учитывающийискажение формы кривой магнитного потока и индукции;
pc=1.080 Вт/кг – удельные потери встали 3406 при индукции 1,6 Тл;
Pх=kпт·kпи·pс·Gст = 1,06·1,33·1,080·555,8=846,2 Вт, что составляет примерно 65%от заданного значения (846,2·100/1300 = 65,1%).
7.2. Расчет тока холостого хода:
Полная намагничивающая мощность:
Qx=kтт·kти·qc·Gcт,
где kтт=1,15 –коэффициент, учитывающий несовершенство технологии иотжига;
kти=1,50 – коэффициент, учитывающийискажение формы кривой магнитной индукции;
qc=1.560 ВА/кг – полная удельнаянамагничивающая мощность в стали 3406 при индукции 1,6 Тл;
Qx=kтт·kти·qc·Gcт=1,15·1,50·1,560·555,8=1496 ВА;
Относительное значение тока холостогохода:
i0= />0,237%,что составляет примерно 15,8% от заданного значения (0,237·100/1,5 = 15,827%);
i0a= />0,134%- активная составляющая тока холостого хода.
8. Тепловой расчет трансформатора.
8.1. Обмотка низкого напряжения:
Потери, выделяющиеся в 1 м3 общего объема обмотки:
pa=/>69730 Вт, где а – толщиналенты;
δиз – толщинаизоляции;
/> 0,439 Вт/м·0С – средняятеплопроводность обмотки;
Внутренний перепад температуры:
Θ0НН=/>3,89 оС;
Средний перепад температуры:
Θ0ННср=2·Θ0НН/3=2·3,89/3=5,187оС;
Перепад на поверхности обмотки:
ΘомНН=0,285·qНН0,6=0,285·663,160,6=14,055 0С;
Среднее превышение температуры надсредней температурой масла:
Θом.срНН=Θ0ННср+ΘомНН=5,187+14,055=19,241оС.
8.2. Обмотка высокого напряжения:
Внутренний перепад температуры:
Θ0ВН=/>0,583 оС;
Средний перепад температуры:
Θ0ВНср=2·Θ0ВН/3=2·0,583/3=0,388оС;
Перепад на поверхности обмотки:
ΘомВН=k1k2k3·qВН0,6=1,0·1,0·1,05·0,35·392,140,6=13,3 0С, где(коэффициенты взяты в пункте 9.5 [1]):
k1 – учитывает скорость движения масла внутри обмотки;
k2 – учитывает затруднение конвекции масла в каналах;
k3 – учитывает влияние на конвекцию масла горизонтальныхканалов;
Среднее превышение температуры надсредней температурой масла:
Θом.срВН=Θ0ВНср+ΘомВН=0,583+13,3=13,692оС.
9. Расчет основных геометрических размеров бака трансформатора
Расстояние от обмотки ВН до стенкибака:
Отвод НН изготавливаем из алюминиевойшины сечением 32х10мм; шина приваривается точечной сваркой к концу обмотки НН;шина не изолируется. Отвод ВН делаем из того же провода, из которого сделанаобмотка.
По табл.4.11 [1] определяемрасстояние от обмотки до стенки бака:
S3=25мм – расстояние от обмотки до отвода;
S4=25мм – расстояние от отвода до стенки бака;
Толщина отвода – 10мм;
Расстояние от обмотки до стенки бака– 60мм.
Подкладку под ярмо изготавливаем избуковых досок толщиной 50мм.
Расстояние от ярма до крышкипринимаем 140мм (меньше приведенного в табл.9.5 [1], так как ярмопространственной системы имеет совершенно иную конструкцию, чем ярмо плоскогомагнитопровода).
Итак, высота стенки бака Нбак=1280мм.
10. Тепловой расчет бака. Окончательный расчет превышенийтемпературы обмоток и масла
10.1. Тепловой расчет бака.
/>
Рис.9. Эскиз стенки бака, вид сверху.
Системой охлаждения трансформатораявляется его волнистые стенки (см рис.9). Параметры системы охлаждения:
Число волн, m: 74;
Глубина волны: 130мм;
Ширина волны: 12мм (снаружи);
Расстояние волн: 25мм;
Толщина стенки: 1мм;
Высота волн, Нв: 1170мм.
Поверхность излучения стенки (поэскизу):
Пив=П·Нбак=3549·1170·10-6=4,152м2,
где П – периметр волнистой стенки;
Поверхность верхней рамы:
Пр=0,1·t·n=0,1·0,037·74=0,274 м2, где t – шаг волн;
Площадь крышки по эскизу:
Пкр=0,555м2;
Полная поверхность излучения:
Пи=Пив+Пр+0,5·Пкр=4,152+0,274+0,5·0,555=4,7м2;
Поверхность конвекции стенки:
Пкв=m·lв·kв·Hв=74·(268,85+25)·0,973·1170·10-6=24,755 м2,
где lв – периметр одной волны;
Полная поверхность конвекции:
Пк=Пкв+Пр+Пкр·0,5=24,755+0,247+0,5·0,555=25,3м2.
10.2. Окончательный расчет превышенийтемпературы обмоток и масла.
Среднее превышение температуры стенкибака над температурой окружающего воздуха:
Θбв=/>43,8 оС;
Среднее превышение температуры маславблизи стенки над температурой стенки бака:
Θмб=1,0·0,165/>5,4 оС;
Превышение температуры масла вверхних слоях над температурой окружающего воздуха:
Θмвв=1,2(Θмб+Θбв)=1,2·(43,8+5,4)=59oC, что меньше нормы – 60оС.
Превышение температуры обмоток надтемпературой окружающего воздуха для обмотки НН:
ΘовНН=Θ0ННср+Θом+Θмб+Θбв=5,187+14,055+5,4+43,8=68,4оС;
Превышение температуры обмоток надтемпературой окружающего воздуха для обмотки ВН:
ΘовВН=Θ0ВНср+Θом+Θмб+Θбв=0,388+13,3+5,4+43,8=62,8оС.
11. Определение массы масла иконструктивных материалов.
11.1. Масса конструктивных материалов.
Волнистая часть бака изготовлена изстали толщиной 1мм. По эскизу определили периметр волнистой стенки: 21,9м;примем плотность конструкционной стали 7850 кг/м3, тогда массаволнистой стенки:
21,9·7850·0,001·Нв=201 кг.
Сверху (50мм) и снизу (60мм) гладкиеучастки стенки бака изготовлены из стали толщиной 4мм, аналогично получим массуэтой части стенки бака: 9,5кг.
Днище изготавливаем из стали толщиной6мм, масса днища: 26,2кг.
Крышку изготавливаем из сталитолщиной 8мм, масса крышки: 34,8кг.
Таким образом, приблизительная массастального бака:
Gбак=201+9,5+26,2+34,8=271,5кг.
Площадь одной волны: 0,0013м2;
Объем бака: Vбак= 0,555·1,280+0,0013·74·1,17=822 л.
11.2. Масса масла.
Масса активной части:
1,2·(Gст+Gпр)=954кг;
Объем активной части (среднююплотность активной части принимаем 5500кг/м3):
Vact=954/5500=173л;
Плотность масла: 900кг/м3;
Масса масла:
Gм= 900·(Vбак-Vact)=582кг.
Приблизительная масса трансформатора:
582+954+271,5=1808 кг, с учетомналичия различных устройств, например, вводов, термодатчиков и тп, швеллеров икатков, можно принять приблизительную массу трансформатора 1900кг.
12. Расчет КПД трансформатора
η=/>98,714%
Полученный КПД является достаточновысоким для трансформатора такой мощности, что свидетельствует о правильностирасчета.
Стоимость стали 3406 в настоящеевремя приблизительно 100р/кг, стоимость провода АПБ примем 80р/кг, масла –35р/кг, стоимость конструкционной стали — 30р/кг. Тогда можно рассчитатьприблизительную стоимость этих материалов, используемых в трансформаторе:
Gст·100=555,8·100=55580 руб –приблизительная стоимость стали 3406;
Gпр·80=239·80=19140 руб –приблизительная стоимость провода АПБ;
GМ·35=582·35=20370 руб – приблизительная стоимостьмасла;
Gбак·30=271,5·30=8145 руб –приблизительная стоимость тонколистовой стали.
Итого: 103600 руб.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данном курсовом проекте былрассчитан трехфазный трансформатор с пространственной навитой магнитнойсистемой, герметичного исполнения ТМВГ-630/6,3. В процессе расчета быливыявлены преимущества данной магнитной системы над плоской:
· Меньший расходэлектротехнической стали;
· Меньше потерихолостого хода;
· Меньше токхолостого хода;
· Меньше массатрансформатора;
· Больше КПД;
· Меньше стоимость.
В подтверждение – сравнение заданияна расчет и его результаты:Задание на проектирование Полученные результаты
uк =5.0%
i0=1.5%
Pх =1.3 кВт
Pк =7.2 кВт
uк =5.079%
i0=0,237%
Pх =0,846 кВт
Pк =7.381 кВт
Трансформаторы данной сериинезаслуженно вышли из производства. При внедрении необходимых технологическихособенностей в производство трансформаторов, есть возможность создаватьтрансформаторы этой серии, в основном малой и средней мощности.
Списоклитературы
1. Тихомиров П.М.Расчет трансформаторов. – М.: Энергоатомиздат, 1996. – 528 с.: ил.
2. Антонов М.В.Технология производства электрических машин. – М.: Энергоиздат, 2002. – 592 с.:ил.
3. Гончарук А.И.расчет и конструирование трансформаторов. – М.: Энергоатомиздат, 1999. – 256с.: ил.
4. Сапожников А.В.Конструирование трансформаторов. – М.: Госэнергоиздат, 1999. – 360 с.: ил.
5. ГОСТ 11677 – 85.Трансформаторы силовые. Общие технические условия.
6. ГОСТ 16110 – 85.Трансформаторы силовые. Термины и определения.