Проектирование силового трехфазного трансформатора

Уральский Федеральный  Университет 

имени первого  президента России Б.Н. Ельцина

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект

по электрическим машинам

Проектирование  силового трехфазного трансформатора

 

 

 

 

 

 

 

Руководитель: Назаров.С.Л

Студент: Комаров  И.С.

гр. Э-38041

 

 

 

 

 

 

 

Екатеринбург 2010

Содержание:

 

1. Введение 3

2. Задание 4

3. Расчет электрических величин 5

4. Определение основных размеров трансформатора 6

5. Проектирование обмоток трансформатора 11

5.1. Краткие сведения об обмотках трансформаторов 11

5.2. Выбор типа обмоток 13

5.3. Расчет обмоток 16

5.3.1. Цилиндрическая одно- и двухслойная обмотка из прямоугольного провода 16

5.3.2. Цилиндрическая многослойная обмотка из круглого

провода 18

5.3.3. Окончательные размеры обмоток 20

6. Расчет параметров короткого замыкания 23

7. Расчет магнитопровода 24

8. Расчет параметров холостого хода 28

9. Расчет бака 29

10. Тепловой расчет 30

11. Заключение 33

Список литературы 34

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

В задачу проектирования трансформатора входит: определение  конструкции и размеров магнитопровода, выбор типа обмоток и размеров обмоточного провода, выбор изоляции, расчет параметров короткого замыкания и холостого хода, расчет конструкции отводов трансформатора. Кроме того, необходима разработка системы охлаждения, приборов контроля режимов работы и защиты, а также других конструктивных элементов, позволяющих объединить отдельные узлы в единое устройство.

При этом трансформатор  должен удовлетворять заданным требованиям, параметрам и характеристикам, должен иметь рациональные весогабаритные показатели, быть технологичным при изготовлении и соответствовать требованиям стандартов на подобные устройства.

Проектирование трансформатора, как любого технического устройства, является оптимизационной задачей, поскольку требуемые технические характеристики могут быть реализованы конструкциями, существенно различающимися весом, размерами, стоимостью, надежностью и т.д.

Для силовых трансформаторов мощность трансформатора пропорциональна сечению  магнитопровода (стали) и сечению  обмотки (меди)

.

Следовательно, трансформатор  требуемой мощности может быть выполнен при различных соотношениях объемов (веса) стали и меди. Кроме того, даже при фиксированных значениях сечения меди, обмотки могут быть выполнены узкими и высокими, или наоборот, широкими и низкими. Очевидно, что изменение геометрических размеров обмотки приведет к изменению таких важных величин, как мощность и напряжение короткого замыкания.

Как правило, при проектировании трансформатора необходимо определить наиболее рациональную конструкцию с точки зрения весогабаритных и стоимостных показателей, что достигается рациональным выбором конструкции магнитопровода и обмоток, основных размеров трансформатора  и удельных нагрузок активных материалов - индукции в магнитопроводе и плотности тока в обмотках. Такое проектирование является весьма сложной и трудоемкой задачей.

Существенное упрощение  задачи проектирования возможно при  наличии долгосрочного опыта  проектирования, создания и эксплуатации подобного рода устройств. На основе такого опыта создаются методики проектирования, в которых определены наиболее рациональные соотношения геометрических размеров, электромагнитных нагрузок в виде достаточно простых зависимостей. Понятно, что такие методики имеют ограниченное значение, поскольку существенное изменение конструкции (например, переход от плоской к пространственной конструкции магнитопровода), применение новых материалов (холоднокатаных, анизотропных сталей), изменение соотношения цен на основные материалы могут сильно изменить основные оптимальные соотношения устройства.

В нашей стране наиболее обоснованной считается  методика, предложенная П. М. Тихомировым [4]. В  этой методике критерием экономичности  является коэффициент b, равный отношению средней длины витка двух обмоток трансформатора к их высоте, т. е.

.

(1.7)

Эта величина может варьироваться в широких пределах и практически изменяется в существующих сериях трансформаторов от 1,4 до 3,5. При этом меньшим значениям b соответствуют трансформаторы относительно узкие и высокие, большим — широкие и низкие. Меньшим значениям b соответствуют меньший расход стали и больший расход меди. С увеличением b вес стали увеличивается, вес меди — уменьшается.

Следовательно, выбор  того или иного b будет существенно влиять не только на соотношение размеров трансформатора, но также и на соотношение весов активных и других материалов, т.е. в итоге — на стоимость трансформатора.

 

2. Задание

 

Целью данного учебного проекта является получение навыков  наиболее простого вида инженерной деятельности - проектирования конкретного устройства с использованием типовой методики по известному техническому заданию. Объектом учебного проекта служит силовой трехфазный двухобмоточный трансформатор с плоской несимметричной магнитной системой и масляным охлаждением.

Пояснительная записка  должна содержать:

1. определение основных  электрических величин;

2. определение основных  размеров и изоляционных промежутков;

3. выбор конструкции  и расчет обмоток трансформатора;

4. расчет параметров  короткого замыкания;

5. расчет магнитопровода;

6. расчет параметров  холостого хода;

7. расчет бака;

8. тепловой расчет.

9. конструирование и  разработка технической  документации. (хотя этот этап выделен отдельно, конструкторская проработка выполняется  одновременно с проектированием на каждом этапе).

Графическая часть проекта - чертеж общего вида трансформатора.

Четыре ступени регулирования с пределом регулирования по 2.5%U_ном

 

Вариант 4

 

Исходные данные:

 

Тип трансформатора – ТМ-400/10;

Номинальная мощность – S=400 кВА;

Напряжение ВН – 10,5 кВ;

Напряжение НН – 0,4 кВ;

Схема и группа соединений – Y/Y₀-0;

Напряжение короткого  замыкания – u_к=4,5%;

Потери короткого замыкания  – P_к=5,5 кВт;

Потери холостого хода – P₀=1,05 кВт;

Ток холостого хода – i₀=2,1%

 

3. Расчет электрических величин

 

Расчет электрических  величин является первым этапом проектирования трансформатора. Результаты, полученные на этом этапе, определяют выбор основных размеров, электромагнитных нагрузок на последующих этапах.

3.1. Мощность на один  стержень магнитопровода

кВА ,

(3.1)

где  m_ст - число стержней магнитопровода.  Для рассматриваемых трансформаторов   m=m_ст=3.

3.2. Номинальный (линейный) ток обмотки низкого напряжения (НН)

А

(3.2)

3.3. Номинальный (линейный) ток обмотки высокого напряжения (ВН)

А

(3.3)

3.4. Номинальные фазные  токи

при соединении фаз обмотки в  “звезду”

(3.4)

3.5. Фазные напряжения

 при соединении фаз обмотки  в “звезду”

, В

(3.5)

3.6. Испытательные напряжения  обмоток.

Испытательные напряжения (U_{1 ИСП} , U_{2 ИСП} ) выбираются в зависимости от номинального напряжения обмоток, которое определяет класс напряжения трансформатора. Для выбора испытательного напряжения следует руководствоваться данными табл. 3.1.

Таблица.3.1

Испытательные напряжения промышленной частоты для масляных силовых трансформаторов

Классом напряжения трансформатора считают класс напряжения обмотки  ВН.

 

Класс напряжения,     кВ	3	6	10	15	20	35	110	150	220	330	500
Наибольшее рабочее напряжение,  кВ	3,6	7,2	12,0	17,5	24,0	40,5	126	172	252	363	525
Испытательное  напряжение, кВ	18	25	35	45	55	85	200	230	325	460	680

 

3.7. Активная составляющая  напряжения короткого замыкания

%

(3.7)

3.8. Реактивная составляющая  напряжения короткого замыкания

%

(3.8)

 

4. Определение основных размеров трансформатора

 

К ним относятся: диаметр окружности, описывающей сечение стержня магнитопровода (d) , осевой размер (высота) обмоток (l), средний диаметр витка двух обмоток или диаметр осевого канала между обмотками (d₁₂). Основные размеры трансформатора показаны на рис. 4.1.

.

Рис.4.1. Основные размеры трансформатора

 

4.1. Изоляционные промежутки (рис.4.1) между обмотками и обмотками  и магнитопроводом выбираются  в соответствии с номинальной  мощностью трансформатора и испытательными напряжениями по табл. 4.2, 4.3. Выбранные величины изоляционных промежутков необходимо свести в табл. 4.1.

Таблица.4.1

Значения изоляционных промежутков трансформатора

 

Расстояние  обмотки НН  от стержня   мм	Расстояние  между  обмотками  ВН и НН, мм	Расстояние  между обмотками ВН, мм	Расстояние  обмотки НН  от ярма,   мм	Расстояние  обмотки ВН  от ярма,   мм
a01	a12	a22	l01	l02
5	9	10	30	30

 

 

Таблица.4.2

Минимально допустимые изоляционные расстояния  для обмоток  НН

 

Мощность трансформатора S ,  кВА	Испытательное напряжение  U1 исп ,  кВ	Расстояние от  от стержня a01 ,  мм	Расстояние от  от ярма, l01,  мм
25  -  250	5	4	15
400  -  630	5	5	**
1000  -  2500	5	15	**
630  -  1600	18,  25,  35	15	**
2500  -  6300	18,  25,  35	17.5	**
630  и  более	45	20	**
630  и  более	55	23	**
Все мощности	85	30	**

 

Примечание:  **  Принимается равным  l₀₂  по табл. 4.3.

Таблица.4.3

Минимально  допустимые  изоляционные  расстояния для обмотки ВН

 

Мощность трансформатора S , кВА	Испытательное напряжение  U2 исп.,  кВ	Между  обмотками  ВН и НН, a12 ,  мм	Между обмотками ВН, a22 , мм	Расстояние от  от ярма,   l02 ,  мм
25  -  100	18,  25,  35	9	8	20
160  -  630	18,  25,  35	9	10	30
1000  -  6300	18,  25,  35	20	18	50
630   и  более	45	20	18	50
630   и  более	55	20	20	50
160  -  630	85	27	20	75
1000  -  6300	85	27	30	75
10000  и  более	85	30	30	80

 

4.2. Предварительное значение  приведенной ширины обмоток НН  и ВН. Приведенная ширина обмоток НН и ВН

мм

(4.1)

определяется по следующей  формуле

мм

(4.2)

где коэффициент k_a находится из табл. 4.4, S_ст (кВА).

И принимаем k_a=6

Таблица.4.4

Значения коэффициента k_a в формуле 4.2

 

Мощность трансформатора Sном, кВА	Медные обмотки		Алюминиевые обмотки
	U2ном, кВ
	10 кВ	35 кВ	10 кВ	35 кВ
до 100	8.0-6.0	-	10.0-7.5	-
160-630	6.5-5.2	6.5-5.8	8.1-6.5	8.1-7.3
1000-6300	5.1-4.3	5.4-4.6	6.4-5.4	6.8-6.0
10000-80000	-	4.8-4.6	-	6.0-5.8

 

4.3. Ширина приведенного  канала рассеяния

мм

(4.3)

4.4. Диаметр стержня  магнитопровода d определяется выражением, полученным в [4]:

мм

(4.4)

Как видно из (4.4) для  нахождения  диаметра стержня трансформатора необходимо предварительное определение двух величин:

- основного геометрического коэффициента b;

- расчетной индукции стержня В_р.

4.4.1. Значение параметра b

.

(4.5)

влияет на массогабаритные  и стоимостные показатели трансформатора. При выборе его можно руководствоваться  рекомендациями табл. 4.5.

 

 

 

 

 

 

Таблица.4.5

Рекомендуемые значения b для масляных трансформаторов

 

Металл  обмоток	b   при мощности  S , кВА
	25  - 630	1000  -  6300	10000  -  80000
Медь	1,2  -  3,6	1,5  -  3,6	1,2  -  3,0
Алюминий	0,9  -  3,0	1,2  -  3,0	1,2  -  3,0

Принимаем b=2

4.4.2. Предварительное значение расчетной  индукции в стержне магнитопровода 

(4.6)

где В_с - индукция в стали магнитопровода;

      k_З - коэффициент заполнения пакета активной сталью.

      k_кр - коэффициент заполнения круга ступенчатой фигурой.

Предварительные значения коэффициентов в (4.6)

.

Индукция в стали стержня магнитопровода определяется маркой электротехнической стали и мощностью трансформатора. В настоящее время для изготовления магнитопроводов трансформаторов применяется холоднокатаные анизотропные стали, для которых рекомендуемые уровни индукций приведены в табл. 4.6.

 

Таблица 4.6

Рекомендуемая индукция в стержнях силовых масляных трансформаторов

 

Марка стали	мощность трансформатора   S, кВА
	до16	25-100	160 и более
3411,3412, 3413	1.45-1.50	1.50-1.55	1.55-1.60
3404, 3405, 3406, 3407, 3408	1.50-1.55	1.55-1.60	1.55-1.65

Принимаем В_с=1,6 Тл

4.5. Нормализованный диаметр  стержня магнитопровода  определяется  округлением рассчитанного по ( 4.4 ) диаметра стержня магнитопровода  до ближайшего значения по нормализованной шкале d_Н ( табл. 4.7).

 

Таблица.4.7

Нормализованный диаметр  стержня (мм)

 

80	85	90	95	100	105	110	115	120	125	130	140
150	160	170	180	190	200	210	220	230	240	250	260
270	280	290	300	310	320	330	340	350	360	370	380

D_Н=200 мм

При этом корректируется величина b. Измененное значение

(4.7)

4.6. Предварительное значение  сечения стержня магнитопровода (мм²), определяемое диаметром (d, мм)

мм2

(4.8)

4.7. Средний диаметр  обмоток трансформатора

мм

(4.9)

где коэффициент k_d можно принять на этом этапе для медной обмотки - k_d =1,39

4.8. Высота обмоток  трансформатора 

мм

(4.10)

4.9. Предварительное значение  средней плотности тока обмоток D_ср (А/мм²)

для медной обмотки:  А/мм2

(4.11)

Здесь P_к (Вт) и S (кВА) - мощность короткого замыкания и полная мощность трансформатора, заданные в техническом задании;

d₁₂ – средний диаметр обмоток (мм), определяемый на этапе расчета главных размеров;

k_д - коэффициент, учитывающий наличие добавочных потерь и приближенно определяемый полной мощностью трансформатора по табл. 4.8;

u_в - ЭДС одного витка обмоток (В), определяемая соотношением

В

(4.12)

где  B_c - индукция в стержне магнитопровода (Тл), определяемая маркой стали при расчете главных размеров;

П_с – сечение стержня магнитопровода (мм²).

 

Таблица. 4.8

Коэффициент k_д учета добавочных потерь в формуле (3.11) и (3.12)

 

Мощность трансформатора, S, кВА	До 35	35 - 110	110 - 2000	2000-5000	5000-20000
kд	0,99	0,99-0,97	0,95-0,90	0,90-0,89	0,88-0,75

 

Полученное по (4.11, 4.12) значение плотности тока должно укладываться следующие пределы:

- для медной обмотки  -1.8-4.5 А/мм²;

4.10. Сечение витка обмотки  предварительно может быть определено  следующим образом:

 

 

первичной (НН)

мм2

(4.14)

вторичной (ВН)

мм2

(4.15)

 

где I_ф - ток фазы обмотки, А,

D_ср – средняя плотность тока обмоток (А/мм²).

Таблица.4.9

Сводная таблица

Расстояние обмотки  НН  от стержня	a01	мм	5
Расстояние между обмотками ВН и НН	a12	мм	9
Расстояние между обмотками ВН	a22	мм	10
Расстояние обмок от ярма	l0	мм	30
Высота обмоток	l	мм	456,5
Средний диаметр обмоток	d12	мм	278
Средняя плотность тока в обмотках	Dср	А/мм2	3,27
Сечение витка первичной обмотки НН	П1	мм2	177
Сечение витка вторичной  обмотки ВН	П2	мм2	6,73
ЭДС витка	uв	В	9,34
Диаметр стержня магнитопровода	d	мм	200
Сечение стержня магнитопровода	Пс	мм2	26282
Индукция в стали	Вс	Тл	1,6

 

5. Проектирование обмоток трансформатора

 

Проектирование обмоток трансформатора выполняется после выбора главных размеров трансформатора. Задачи, решаемые на этом этапе:

1. Выбор типа обмоток и схемы регулирования напряжения.
2. Расчет и выбор обмоточного провода и определение размеров обмоток.

5.1. Краткие сведения об обмотках трансформаторов

 

Конструкции обмоток  трансформаторов могут существенно  различаться в зависимости от мощности и напряжения. Определяющими  конструктивное исполнение обмотки  являются число витков, сечение витка и класс напряжения.