Проектирование преобразовательного трансформатора

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ПЕТЕРБУРСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Кафедра «Электрические машины»

 
 
 
 
 
 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

 
 
 

на тему           Проектирование преобразовательного трансформатора

 
 
 
 
 

выполнил  студент                                                                                  

03 –  ЭС ^ц – 12 

 
 
 
 

Санкт-Петербург 

СОДЕРЖАНИЕ

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ЗАДАНИЕ

 

     При курсовом проектировании преобразовательного  трансформатора задаются следующие данные:

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

 

      Выпрямление переменного тока на тяговых подстанциях  электрифицированных на постоянном токе железных дорог осуществляется преобразовательными агрегатами, содержащими специальный трансформатор, полупроводниковый выпрямитель и вспомогательную аппаратуру.

      Применяемый в такой схеме силовой трансформатор  называется преобразовательным трансформатором. Он служит для согласования напряжения питающей сети и напряжения контактной сети, а также для разделения цепи нагрузки от питающей сети.

      Преобразовательные  трансформаторы по сравнению с силовыми трансформаторами общего назначения обладают рядом отличительных особенностей.

      Одной из важных особенностей является то, что в следствие вентильного действия выпрямителя каждый анод его работает только в течение части периода переменного тока, поэтому условия работы первичной и вторичной обмоток преобразовательного трансформатора неодинаковы. Преобразовательный трансформатор питается с первичной стороны синусоидальным напряжением, а каждая фаза вторичной обмотки находится под током только часть периода, поэтому токи в первичной обмотке будут несинусоидальными.

      Другой  особенностью является то, что короткие замыкания в тяговой сети и нагрузке у преобразовательных трансформаторов происходят значительно чаще, чем у обычных трансформаторов. Поэтому преобразовательные трансформаторы должны рассчитываться на повышенную механическую прочность обмоток и отводов, которые могли бы неоднократно выдерживать без остаточных деформаций большие механические усилия, вызванные токами аварийного короткого замыкания.

      Эти особенности должны учитываться  в ходе проектирования трансформатора.

      В данном расчете используется упрощенная методика, основанная на опытных данных построенных трансформаторов.

1. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ МАГНИТОПРОВОДА

 

1.1. Выпрямленное напряжение холостого хода, В:

,                                            (1.1)

В.

 

1.2. Средняя мощность выпрямленного тока, кВт:

,                                               (1.2)

 кВт.

 

1.3. Номинальная мощность первичной обмотки, кВА:

,                                                      (1.3)

где K_p – коэффициент, зависящей от схемы выпрямительного агрегата;

               при трехфазной мостовой схеме  выпрямления K_p= 1,05.

 кВА.

 

1.4. Номинальное фазное напряжение обмотки ВН, В:

при соединении фаз треугольником

,                                                       (1.4)

 В.

 

1.5. Номинальное фазное напряжение обмотки НН, В:

,                                                     (1.5)

где К_U – коэффициент, зависящий от схемы выпрямительного агрегата и схемы      

               соединения обмотки НН трансформатора; при мостовой схеме вы-

               прямления и соединении фаз обмотки НН звездой К_U = 2,34.

В.

 

1.6. Номинальный фазный ток обмотки ВН, А:

,                                                      (1.6)

А.

 

1.7. Номинальный фазный ток обмотки НН, А:

,                                                  (1.7)

где К_I – коэффициент, зависящей от схемы выпрямительного агрегата и схемы

              соединения обмотки НН; при мостовой  схеме выпрямления и соедине-

              нии обмоток НН звездой К_I = 0,816.

А.

 

1.8. Предварительное число витков обмотки НН.

      Число витков обмотки НН определяется исходя из значений фазного напряжения обмотки и напряжения, приходящегося на один виток U_в/в. Обычно U в/в выбирают для трех значений : U_{в/в min}, U_{в/в ср}, U_{в/в max} и проводят три расчета, из которых выбирается наиболее соответствующей практике. В нашем случае выбираем одно значение. Выбор значения U_в/в осуществляется по кривой /1, рис.2/ в зависимости от номинальной мощности трансформатора. При этом предварительное число витков обмотки НН составит:

.                                                      (1.8)

      Вторичная обмотка НН в преобразовательных трансформаторах выполняется с параллельными ветвями, поэтому необходимо, чтобы число витков было четным и делилось без остатка на число катушек в одной параллельной группе, которое также должно быть четным (при нечетном числе катушек в параллельной группе возникают трудности с выводами между катушками).

      При S₁ = 7294,02 кВА получаем U_в/в = 49 В/вит.;

.

Принимаем W₂ = 36 витков.

      При окончательном расчете обмотки  НН возможно потребуется корректировка витков W₂, а затем и витков W₁ с соответствующей корректировкой предыдущего расчета.

Уточняем  значение U в/в:

.                                                  (1.9)

В/вит.

 

1.9. Предварительное число витков обмотки ВН:

.                                             (1.10)

.

Принимаем W₁ = 722 витка.

 

1.10. Определение намагничивающих сил обмоток:

обмотки ВН                                    ,                                                (1.11)

A;

обмотки НН                                    ,                                              (1.12)

А;

результирующая  F = F₁ + F₂ = 50157,34 + 49939,2 = 100096,54 А.

1.11. Определение высоты стержня, см:

,                                                 (1.13)

где А_С – линейная нагрузка стержня; определяется по графику [1, рис.3], в зави-

               симости  от  номинальной мощности трансформатора и напряжения  

               первичной обмотки.

При S₁ = 7294.02 кВА получаем А_С = 958,33 А/см

см

 

1.12. Определяем диаметр стержня, см:

,                                       (1.14)

где В_С – магнитная индукция  в стержне;  выбирается  в  зависимости от марки

               стали  и  мощности  трансформатора;  для  трансформаторов  данного

               класса В_С = 1,55 – 1,65 Тл;

      К_С – коэффициент заполнения стали; выбирается в зависимости от толщины  

              листов и марки стали К_С = 0,93 – 0,97;

      К_кр – коэффициент заполнения круга;  зависит от диаметра  стержня  и мощ-

               ности трансформатора К_кр = 0,85 – 0,92.

      Для уменьшения расхода стали диаметры стержня принимается стандартами по нормали СЭВ: d_C = 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42, 45, 48, 50, 53, 56, 60, 63, 67, 71, 75 см ;

см.

Принимаем d_C = 48 см.

      Известно, что  или .

Если  f₁ и Е₁ постоянные величины, а В_С  выбирается при расчете, то W₁ и Q_C могут изменяться в широком диапазоне. Так, например, увеличение W₁ приводит к уменьшению Q_C и наоборот.

      Сталь на порядок дешевле материала  обмоток, поэтому в силовых трансформаторах данных габаритов масса стали обычно больше массы меди в 2 – 4 раза. При этом в оптимально спроектированных трансформаторах имеется следующее соотношение высоты и диаметра стержня:

.                                                    (1.15)

В нашем  случае:

  ,

что удовлетворяет  требованиям.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ОБМОТОК

 

      Основными требованиями, предъявляемыми к обмоткам силовых трансформаторов, является электрическая и механическая прочность, нагревостойкость.

      Изоляция  обмоток и других частей трансформатора должна выдерживать без повреждений коммутационные и атмосферные перенапряжения.

      Для преобразовательных трансформаторов  данной группы обмотки обычно выполняются  проводом прямоугольного сечения, который располагается большим размером к стержню – «плашмя». Чтобы улучшить охлаждение обмоток они выполняются с аксиальными и радиальными масляными каналами. Аксиальные масляные каналы образуются рейками, устанавливаемыми на бакелитовый изолирующий цилиндр с таким расчетом, чтобы средняя длина по окружности между рейками l_max не превышала 15 см. Ширина рейки принимается b_пр = 2 – 4 см, а величина масленого канала (толщина рейки) a_ц = 0,6 – 3 см.

      Радиальные  каналы создаются за счет межкатушечных  прокладок, закрепленных на рейках. Ширина прокладок 2 – 6 см, высота масленых каналов (толщина прокладок) h_к = 5 – 8 мм. Рейки и прокладки выполняются из электролита.

      Обычно  для преобразовательных трансформаторов  применяют спиральную катушечную обмотку.

 

2.1. Расчет обмотки ВН

      В преобразовательных силовых трансформаторах обмотка ВН располагается на стержне, в то время как у обычных силовых трансформаторов на стержне располагают обмотку НН.

      В таблице 1 /1,стр.13/ даны минимальные допустимые изоляционные расстояния обмоток ВН и НН с учетом норм электрической прочности и особенностей конструкции преобразовательного трансформатора.

 

 

2.1.1. Высота обмотки, мм:

,                                               (2.1)

где l₀₁ – расстояния обмоток от верхнего ярма, мм;

      l^’₀₁ – расстояния обмоток от нижнего ярма, мм.

мм.

2.1.2. Сечение витка обмотки ВН, мм²:

,                                                           (2.2)

где Δ₁ – плотность тока в обмотке,  А/мм²;  принимается в соответствии с дан-

              ными таблицы 1 /1, стр13/. Принимаем Δ₁ = 2,8 А/мм²;

мм².

      При прямоугольных проводах высокая  сторона провода b не должна превышать размера:

,                                                        (2.3)

где k – коэффициент,  учитывающий  вытеснение  тока;  при  частоте  f₁ = 50 Гц

            принимается k = 1;

      q – тепловая нагрузка обмотки; для трансформаторов данного класса  при-

            нимается q = 1000 – 1200 Вт/м².

      Исходя  из опыта проектирования и принимаемых  нагрузок получаем значение мм. Кроме того, технологическим соображениям необходимо, чтобы отношение высоты к ширине провода составляло .

      Исходя  из выше перечисленного выбираем проводник для обмотки ВН по таблице 2 /1, стр. 16-17/.

      Принимаем один проводник сечением

мм²,

тогда фактическая плотность тока в обмотке ВН составит, А/мм²:

.                                                             (2.4)

А/мм².

2.1.3. Предварительное число катушек обмотки ВН:

,                                                        (2.5)

где h_к1 – высота масленого канала; принимаем h_к1 = 6 мм;

       – высота провода с изоляцией.

.

Принимаем .

2.1.4. Число витков в катушке ВН:

.                                                          (2.6)

.

Принимаем , тогда число катушек обмотки ВН составит

.                                                        (2.7)

45,13

Принимаем .

      Обычно  в обмотках ВН предусматривается регулирование напряжение в диапазоне ±5%. Следовательно необходимо предусмотреть регулировочные витки:

 витков

2.1.5. Расположение витков и катушек обмотки ВН.

      Для повышения надежности трансформатора при атмосферных и коммутационных перенапряжениях первые к ярму катушки выполняются с усиленной изоляцией, а чтобы радиальные размеры этих катушек не были бы больше основных, число витков в этих катушках уменьшается.

      При U₁ = 35 кВ принимаем 4 катушки с усиленной изоляцией (по две катушки с обеих сторон обмотки).

      Размеры основной катушки:

осевой  мм;

радиальный 

где m₁ – число параллельных проводников;

      – ширина провода с изоляцией.

мм.

      Размер  катушки с усиленной изоляцией  не должен превышать размер основной катушки, поэтому число витков в катушке с усиленной изоляцией должно быть:

.                                                     (2.8)

.

Принимаем ; при этом радиальный размер катушки с усиленной изоляцией составит

мм.

      Распределение витков и катушек обмотки ВН:

катушки с усиленной изоляцией                     ;

катушки основные           ;

катушки дополнительные                                  .

Итого число катушек  , число витков  .

      Осевой  размер обмотки ВН:

высота  меди                     мм;

усиленные каналы          мм;

нормальные  каналы       мм.

Итого высота обмотки   мм.

      Усадка  изоляции составляет 3 – 5% от величины изоляции прокладок (масляных каналов), т.е. мм.

      Полная  высота обмотки ВН

мм.

2.1.6. Внутренний диаметр обмотки ВН:

.                                          (2.9)

мм.

2.1.7. Внешний диаметр обмотки ВН:

.                                                     (2.10)

мм.

2.1.8. Средний диаметр обмотки ВН:

.                                                   (2.11)

мм.

2.1.9. Масса обмотки ВН, кг:

,                                           (2.12)

где П₁ – сечение провода обмотки, см²;

       γ – плотность меди; γ = 8,9 г/см³.

кг.

С учетом изоляции и отводов масса обмотки  ВН составит:

кг

2.1.10. Удельная тепловая нагрузка обмотки ВН, Вт/м²:

,                                         (2.13)

где К_зк1 – коэффициент закрытия катушки обмотки ВН:

,                                        (2.14)

       b_пр – ширина рейки; принимаем b_пр = 3 см;

       П_пр – число прокладок:

.                                               (2.15)

Принимаем П_пр = 16

 

       К_g – коэффициент, учитывающий добавочные потери; для трансформаторов

       данного класса К_g = 1,03 – 1,1.

      Принимаем К_g = 1,1.

       P₁ – периметр катушки обмотки ВН

.                                              (2.16)

мм,

Вт/м².

      Допустимая  нагрузка преобразовательных трансформаторов  данного класса находятся в пределах g = 1000 – 1200 Вт/м².

      Полученное  значение тепловой нагрузки g₁ = 784 Вт/м² удовлетворяет требованиям проектирования.

 

2.2. Расчет обмотки НН

      Обмотка выполняется с большим числом параллельных групп, так как номинальный ток обмотки НН значительно больше по отношению к току обмотки ВН.

2.2.1. Сечение витка обмотки НН, мм²:

.                                                          (2.17)

мм².

      Ранее отмечалось, что максимальное значение сечения одного провода выбирается не более 35 мм², поэтому определяем число параллельных групп при выполнении обмотки двумя параллельными проводниками

Принимаем N = 8 предварительно, т.к. необходимо, чтобы число катушек в параллельной группе было четным.

      При наших условиях имеем 

мм².

      По  таблице 2 /1, стр. 16/ выбираем два параллельных проводника