Введение
Известно, что наибольшее распространение в трансформатостроенииполучили силовые трансформаторы со стержневыми магнитопроводами, как наиболеепростые и удобные в конструктивном отношении по сравнению с трансформаторамиброневого типа. Трансформаторы броневого типа в России в основном используютсяв маломощных радиотехнических установках. Трансформатор со стержневыммагнитопроводом обладает лучшими условиями охлаждения обмоток и сердечника,доступностью осмотра обмоток при ревизии трансформатора, простотой сборки иремонта сердечника и т.д. [1].
В курсовойработе в краткой форме произведен расчет силового трансформатора без подробногорассмотрения ряда второстепенных деталей и узлов имеющих значение при заводскомпроектировании. Однако это дает возможность овладеть основами расчетатрансформаторов.
Исходныеданные для проектированияНоминальная мощность трансформатора……….
S= 400кВА Число фаз………………………………
m=3 Частота сети…………………………….
f=50 Гц Режим работы трансформатора……………… продолжительный Номинальное высшее линейное напряжение…….
UВН= 10000 В Номинальное низшее линейное напряжение…….
UНН= 515В Схема и группа соединения обмоток…………. Y/Y – 12 Способ охлаждения трансформатора…………. естественное масляное Напряжение короткого замыкания…………….
uк= 4,5% Потери короткого замыкания……………….
Рк= 3000Вт Потери холостого хода…………………….
Ро= 1500Вт
Ток холостого хода……………………….
Материал обмоток……………………….
io= 4,9%
алюминий
Обозначим,для краткости, первичную обмотку трансформатора –1, а вторичную – 2.
1 Основныеэлектрические величины
Номинальныефазные напряжения (при этом принимаем во внимание, что при схеме звезда):
/>
/> В.
Номинальныетоки. При схеме «звезда» Iф = Iл
/>
/>
т.о. I1 = I1ф = 448,4 А; I2 = I2ф = 23,1 А
2.Определение основных размеров трансформатора
Данные длярасчета:
- металлпровода обмоток – алюминий;
- маркастали сердечника – 3411 (Э310);
- толщиналистов стали – 0,35 мм;
- удельныепотери в стали р10= 1,75 Вт/кг;
- магнитнаяиндукция в стержнях Вс=1,6 Тл;
- средняяплотность тока в обмотках j= 2 А/мм2;
Отношениевеса стали к весу металла обмоток
/>,
где pм– удельные потери вметалле обмоток для алюминия pм=12,75 Вт/кг.
ЭДС на одинвиток
/> В/виток.
где С0– коэффициент определяемый формой катушек, материалом. При трехслойнойконструкции, алюминий, круглая форма катушек
С0 = 0,14…0,21 [4]. Примем С0=0,17.
Число витковв обмотке 1
/> виток;
Число витковв обмотке 2
/> витков.
Уточненноезначение ЭДС на виток
/> В/витокПлощадьпоперечного сечения стали стержня сердечника
/> см2;
/>
Рисунок 2.1Ступенчатая форма поперечного сечения стержня трансформатора
Числоступеней стержня сердечника n=6; [4]
Число каналовв сердечнике – сердечник без каналов;
Коэффициентзаполнения площади описанного круга площадью ступенчатой фигуры kкр=0,935 [4];
Изоляциястали – бумага;
Коэффициентзаполнения ступенчатой фигуры сталью fс=0,92 [4];
Диаметркруга, описанного вокруг стержня сердечника
/> см.
Номинальнаямощность обмотки 1 на стержень сердечника
/> кВА;
где с –число фаз.
Номинальноенапряжение обмотки 1 на стержень сердечника
/> В;
Номинальныйток обмотки 1 на стержень сердечника
/> А;
Число витковобмотки 1 на стержень сердечника
/> виток;
Предварительнаяплощадь поперечного сечения провода обмотки 1
/> мм2;
Тип обмотки 1– цилиндрическая двухслойная из провода прямоугольного сечения [2];
Номинальнаяполная мощность обмотки 2 на стержень сердечника
/> кВА;
Номинальноенапряжение обмотки 2 на стержень
/> В;
Номинальныйток обмотки 2
/> А;
Число витковобмотки 2 на стержень
/> витков;
Предварительнаяплощадь поперечного сечения провода обмотки 2
/> мм2;
Тип обмотки 2 – многослойная цилиндрическая из провода круглогосечения [2].
Испытательноенапряжение обмотки 1
/> кВ; [4]
Испытательноенапряжение обмотки 2
/> кВ; [4]
Изоляционныйцилиндр между обмоткой 1 и сердечником δцоне предусматривается;
Полноерасстояние между обмоткой 1 и стержнем сердечника
δо=0,9 см; [4]
Расстояние междуобмоткой и ярмом
lо=3 см;
Толщинаизоляционного цилиндра в промежутке между обмотками 1 и 2
δц12=0,3 см;
Толщинакаждого из двух вертикальных каналов
ак12=0,5 см;
Полноерасстояние между обмотками 1 и 2
δ12=2.ак12+δц12=2.0,5+0,3=1,3 см;
Предварительнаярадиальная толщина обмотки 1 из алюминиевого провода при мощности одногостержня от 50 до 500 кВт δ1= 3,6…4,4, принимаем δ1=4 см[4].
Предварительнаярадиальная толщина обмотки 2 при предыдущих мощностях δ2=2,5…3, принимаем δ2=2,7 см [4].
Предварительноеприведенное расстояние между обмотками
/>см.
Среднийдиаметр обмотки 1
/> см;
Среднийдиаметр обмотки 2
/> см;
Средняя длинавитка обмоток
/> см.
Активнаясоставляющая напряжения короткого замыкания
/>;
Индуктивнаясоставляющая напряжения короткого замыкания
/>;
Высота обмоток по оси стержня сердечника
/> см;
где Кр=0,95…0,97 – коэффициент учитывающий переход от средней длины магнитных линийпотоков рассеяния к действительной высоте обмоток по оси стержня [4].
/>
Рисунок 2.3Предварительный эскиз расположения обмоток в окне трансформатора
Высота окнасердечника
/> см.
Отношениевысоты окна сердечника к диаметру стержня сердечника
/>,
При обмоткахиз алюминиевого провода в трансформаторах с масляным охлаждением lc/D=4,2…5,2 [4]
3. Расчетобмоток трансформатора
Уточнениесредней плотности тока в обмотках
/> А/мм2.
где kм– коэффициент учитывающийпотери в отводах и потери от потоков рассеяния в баке трансформатора. kм=0.96…0,92 [4].
γм– удельныйвес алюминия,γм=2,7 кг/см3.
Предварительнаяудельная тепловая загрузка поверхности обмотки 1
q – количество теплотыпереданное маслом охлаждающей поверхности, q1≤ 700…900 – прицилиндрической, винтовой обмотке из алюминия, режим продолжительный. Принимаем q1=700 Вт/м2;
Предварительнаяудельная тепловая загрузка поверхности обмотки 2
q2≤500…700 – примногослойной обмотке из алюминия, с проводом круглого сечения. Принимаем q1=500 Вт/м2[4].
4. Расчет цилиндрическойобмотки 1 из провода прямоугольного сечения
Предварительнаяплотность тока в обмотке 1
/> А/мм2;
Площадьпоперечного сечения провода обмотки 1
/> мм2.
Цилиндрическаяобмотка 1 из провода прямоугольного сечения может иметь один или два слоя,принимаем число слоев nв1=2.
Число витковв слое
/> витков;
Предварительнаявысота витка вдоль стержня сердечника
/> см;
Числоцилиндрических поверхностей охлаждения обмотки
/>
где kп≈0,75 – коэффициентчастичного закрытия поверхности обмотки рейками, образующие вертикальныеканалы, принимаем />[5].
Окончательнопо табл. 5–3 [4] принимаются следующие размеры провода
/>мм
где а1– большая сторона сечения провода;
b1 – меньшая сторонасечения провода;
δu – нормальная изоляцияпровода, для провода марки ПББО δu = 0,45 [4];
/> – число параллельныхпроводов.
Площадьпоперечного сечения провода
/>=/>мм2;
где Sм1к – площадь поперечногосечения провода обмотки 1
Плотностьтока в обмотке 1
/> А/мм2;
Толщина виткавдоль стержня сердечника
/> см;
где b1мк – осевая толщина m – ного изолированного параллельного провода.
Удельнаятепловая загрузка поверхности обмотки 1
/> Вт/м2;
Радиальнаятолщина витка
/> см.
au1 = a1+ δu
Высотаобмотки 1 вдоль стержня сердечника
/> см;
Радиальнаятолщина вертикального канала между двумя слоями обмотки 1. Для масляных трансформаторов.
ак=0,6 см;
Радиальнаятолщина обмотки 1
/>см.
Среднийдиаметр обмотки 1
/> см;
Средняя длинавитка обмотки 1
/> см;
Вес металлаобмотки 1
/>кг,
где />г/cм3 – удельныйвес обмоточного провода [6].
Потери вобмотке 1 без учета добавочных потерь
/> Вт;
Сумма толщинвсех проводов без изоляции обмотки 1 вдоль стержня
/>см;
Полное числопроводов обмотки 1 вдоль радиуса
/>;
Коэффициентувеличения потерь в обмотке 1 от поверхностного эффекта
/>
где ρ– удельное сопротивление алюминия при 75 ºC, ρ =0,034 Ом·м;
/>;
Потери вобмотке 1 с учетом добавочных потерь
/> Вт.
5. Расчетмногослойной цилиндрической обмотки 2 из провода круглого сечения
Плотностьтока в обмотке 2
/> А/мм2;
Площадьпоперечного сечения провода обмотки 2
/> мм2.
Числопараллельных проводов в обмотке 2
/>;
Диаметрголого и изолированного провода (таблица 5–1) [4]
/> мм;
Марка провода– АПБ;
Площадьпоперечного сечения провода обмотки 2
/> мм2;
где /> – площадь поперечногосечения изолированного провода
Плотностьтока в обмотке 2
/> А/мм2;
Расчетныйдиаметр изолированного провода обмотки 2 с учетом неплотности намотки
/> см;
Толщина виткавдоль стержня сердечника
/>см;
Число витковв одном слое обмотки
/>
Число слоевобмотки 2
/>,
чтонежелательно; принимаем />;
Окончательноечисло витков в слое
/>,
т.е. 10 слоевпо 77 витков и 1 слой из 28 витков, т.е. всего /> витков.
Рабочеенапряжение между двумя слоями
/> В;
Толщинамеждуслойной изоляции
δмсл=0,036 см;
Выступмеждуслойной изоляции на торцах обмотки 2 равен 1,6 см [4];
Числоцилиндрических поверхностей охлаждения обмотки 2 на стержень сердечника
/>;
Принимаем />(округляется до целогозначения в пределах от 1 до 4)
Удельнаятепловая загрузка поверхности обмотки 2
/> Вт/м2.
Число слоев ивитков в слое во внутренней катушке – 1 слой по 77 витков в слое;
Число слоев ивитков в слое в наружной катушке – 1 слой по 77 витков и 1 слой из 28 витков;
Радиальная ширина вертикального канала между двумяконцентрическими катушками обмотки 2
ак2=0,7 см;
Радиальнаятолщина обмотки 2
/>см;
Высотаобмотки 2
/> см.
Уточнениеприведенного расстояния
/>см,
где /> – приведенное расстояниемежду обмотками, см;
/> – высота обмоток, см.
Уточнениедействительного расстояния между обмотками 1 и 2
/>см;
Среднийдиаметр обмотки 2
/> см;
Средняя длинавитка обмотки 2
/> см;
Вес металлаобмотки 2
/>кг.
Потери вобмотке 2 без учета добавочных потерь
/> Вт;
Коэффициентувеличения потерь в обмотке 2 от поверхностного эффекта
/>
/>
Потери вобмотке 2 с учетом добавочных потерь
/> Вт.
6.Параметры и относительное изменение напряжения трансформатора
Потерикороткого замыкания
/> Вт,
т.е. на 0,3%больше заданного, что допустимо [4].
Активнаясоставляющая напряжения короткого замыкания
/>%;
Приведенноерасстояние между обмотками
/> см;
Коэффициент,учитывающий переход от средней линии магнитных силовых линий потоков рассеянияк высоте обмоток
/>;
Средняя длинавитка обмоток 1 и 2
/> см;
Индуктивнаясоставляющая напряжения короткого замыкания
/>%;
Напряжениекороткого замыкания
/>%,
т.е. на 3,5%больше задания, что допустимо.
Активноесопротивление обмотки 1
/>Ом;/>
Активноесопротивление обмотки 2
/> Ом;
Активнаясоставляющая сопротивления короткого замыкания, приведенная к числу витковобмотки 1
/> Ом;
Индуктивнаясоставляющая сопротивления короткого замыкания, приведенная к числу витковобмотки 1
/> Ом;
Процентноеизменение напряжения при номинальной нагрузке (β= 1) и
cos φ= 0,8
/>
/>%.
7.Механические силы в обмотках при коротком замыкании
Установившийсяток к. з. в обмотках
/> А;
/> А;
Максимальноезначение тока к. з. в обмотке 2
/> А;
Суммарнаярадиальная сила при к.з.
/> кг;
Разрывающеенапряжение в проводе обмотки 2
/> кг/см2,
что допустимо.Допустимое напряжение для алюминия σ ≤600…700 кг/см2
8. Расчетмагнитной системы трансформатора
Принимаем:запрессовка стержней сердечника выполнена клиньями между сердечником и обмоткой1, сердечник без каналов [4];
Ширинапакетов стержней сердечника:
/> см;
/> см;
/> см;
/> см;
/> см;
/> см;
Толщинапакетов стержня сердечника (в сердечнике нет каналов):
/> см;
/> см;
/> см;
/> см;
/> см;
/> см;
Площадьпоперечного сечения ступенчатой фигуры стержня сердечника
/>
/>см2;
Площадьпоперечного сечения стали стержня сердечника
/> см2;
Магнитнаяиндукция в стали стержня сердечника
/> Тл.
Коэффициентувеличения площади поперечного сечения стали ярма
kя=1,05; [4]
Поперечноесечение стали ярма
/>см2;
Магнитнаяиндукция в стали ярма
/> Тл;
Высота ярмасердечника
/>;
/>см;
Толщина ярмаперпендикулярно листам стали
/>см.
Наружныйдиаметр обмотки 2
/>см;
Расстояниемежду осями стержней сердечника
/>см;
Длина ярмасердечника
/>см;
Длинастержней сердечника
/>см;
Вес сталистержней сердечника
/>кг;
Вес сталиярем сердечника
/>кг;
Полный весстали сердечника
/>кг.
Вес металлаобмоток
/>кг;
Отношениевеса стали к весу металла обмоток
/>.
Потери встали сердечника (потери холостого хода) [5]
/>
где
Gу= Gс.у.+ Gя.у.=γSс•2b1+γSя•2b1
Gу =7,6•216•2•17,19•10-3+7,6•226•2•17,19•10-3=56,4+59,1=115,5кг;
Ку=1,5, [5]
P10=1,75Вт/кг; P10я=1,57Вт/кг; [4]
т.о.
/>Вт;
т.е. на 4%больше заданного, что допустимо.
Сборкасердечника – впереплет.
Числоэквивалентных магнитных зазоров в сердечнике крайней фазы с магнитной индукциейВс
/>;
Числоэквивалентных магнитных зазоров в сердечнике крайней фазы с магнитной индукциейВя
/>;
Амплитуданамагничивающего тока крайней фазы обмотки 1
/>
где awc – удельныемагнитодвижущие силы (МДС) в стержне; [4]
awя – удельные МДС в ярме;[4]
δэ – длина эквивалентноговоздушного зазора в стержне и ярме при сборке сердечника в переплет, δэ= 0,005 см [4].
/>А;
Число зазоровв сердечнике средней фазы с магнитной индукцией Вс
/>;
Число зазоровв сердечнике средней фазы с магнитной индукцией Вя
/>;
Амплитуданамагничивающего тока средней фазы обмотки 1
/>
/>А;
Среднеезначение амплитуды намагничивающего тока для трех фаз
/> А.
Реактивнаясоставляющая фазного тока холостого хода обмотки 1
/> А.
где kA1 – коэффициент амплитуды,зависящий от магнитной индукции и вида стали.
Реактивнаясоставляющая фазного тока холостого хода по упрощенному методу расчета
/>
где σс– коэффициент учитывающий соединение обмоток на стороне питания, σс=1если обмотки соединены в треугольник или звезду с нулевым проводом, σс=1…0,92если на стороне питания обмотки соединены в звезду без нулевого провода;
ррс – удельная реактивнаямощность намагничивания листовой электротехнической стали, ррс= 22…44;
рδс – удельная реактивнаямощность намагничивания мест сопряжения стальных листов рδс= 1,8…2,7 при В=Вс;
рδя – удельная реактивнаямощность намагничивания мест сопряжения ярма
рδя = 1,7…2,2 при В=Вя.
/>А;
Реактивнаясоставляющая линейного тока холостого хода по упрощенному методу расчета
/> А.
Активнаясоставляющая фазного тока холостого кода обмотки 1
/> А;
Фазный токхолостого хода
/> А;
Линейный токхолостого хода обмотки 1 />, т. к.соединение «звезда».
Линейный токхолостого хода в процентах от номинального тока
/>%,
т.е. на 2% большезаданной величины, что допустимо.
9.Коэффициент полезного действия
Коэффициентполезного действия при номинальной нагрузке и cos φ = 0,8
/>%;
Кратностьтока нагрузки, при которой коэффициент полезного действия максимальный
/>;
Максимальноезначение КПД при cos φ2= 0,8
/>%.
Заключение
Проектирование трансформаторов включает в себя расчет и ихконструирование. В данной курсовой работе рассматривался только расчет силовоготрехфазного трансформатора с масляным охлаждением мощностью 400 кВА напряжением10/0,4 кВ.
На основе задания и исходных данных выбираем трехфазный масляныйтрансформатор, соответствующий требованиям ГОСТ 11677, ГОСТ 11920, ГОСТ-15150, маркиТМГ-400/10–0,4 – У1 – трансформатор трехфазный силовой масляныйгерметичного исполнения (без маслорасширителя) общего назначения мощностью 400кВ-А с естественным масляным охлаждением, с напряжением на высокой стороне 10кВ, на низкой – 0,4 кВ, климатического исполнения для умеренного климата.
Библиографическийсписок
1. Беспалов, В.Я. Электрическиемашины [Текст]: учебник / В.Я. Беспалов [и др.]. – М.: Академия, 2006. –313 с.
2. Ванурин, В.Н. Электрическиемашины [Текст]:учебник / В.Н. Ванурин. – М.: Энергия, 2006. – 380 с.
3. Епифанов, А.П. Электрическиемашины [Текст]:учебник / А.П. Епифанов. – М.: Лань, 2006. – 263 с.
4. Тихомиров, П.М. Расчеттрансформаторов [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. Проектированиеэлектрических машин [Текст]:учебник / П.С. Сергеев, Н.В. Виноградов, Ф.А. Горяинов. – М.: Энергия, 1969. – 632 с.
7. Ермолин, Н.П. Расчет силовыхтрансформаторов [Текст]:пособие по курсовому проектированию / Н.П. Ермолин, Г.Г. Швец. – Л.: ЛЭТИ, 1964. – 167 с.