Расчет трехфазного трансформатора. 5

Министерство образования  и науки Республики Бурятия

 

Государственное образовательное  учреждение

 

Высшего профессионального  образования

 

ВОСТОЧНО-СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ И УПРАВЛЕНИЯ

 

 

 

Допущен к защите

Руководитель проекта

Данчинов Б.А.

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По курсу: Электромеханика

На тему: «Расчет трехфазного  силового трансформатора»

Вариант №33

 

                         Выполнил:

                                                                     Студент ДОУ, 2011г., Пашина Н.Ф.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2012

Улан-Удэ

 

 

 

 

 

 

 

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ 

ЗАПИСКА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

    Введение .................................

    Исходные данные. ...........................

    Основное содержание расчетов:

    1. Расчет основных электрических величин . . . .

    2. Выбор и расчет основных размеров трансформатора. ..........................

    3. Расчет обмоток трансформатора:

    3.1. Расчет обмотки НН. ...................

    3.2. расчет обмотки ВН ....................

    4. Расчет магнитной системы трансформатора

    5. Определение КПД трансформатора. ........

    Заключение ................................

    Список использованных источников. .............

    Спецификация сборочного чертежа. ....................

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат,        предназначенный для преобразования одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную), имеющую в общем случае иные характеристики, в частности другое напряжение и другой ток.

Трансформаторы получили широкое распространение, прежде всего в связи с необходимостью передачи электрической энергии на большие расстояния.

Напряжение выбираемой на электростанциях электроэнергии повышают трансформаторами до 6, 10, 20, 35, 110, 150, 220, 330, 400, 500 и 750 кВ (в зависимости от передаваемой мощности дальности передачи), а на месте потребления напряжения понижают трансформаторами до необходимой величины. В соответствии с этим трансформаторы, предназначенные для повышения напряжения, называют повышающими, а для понижения напряжения - понижающими.

По исходным заданным данным мы произведем расчет и проектирование трехфазного, двухобмоточного понижающего трансформатора напряжением сети 10/0,69 кВ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исходные данные:

Вариант: № 33

Полная номинальная  мощность трансформатора:

S=250 кВА

Номинальные линейные напряжения:

U2л /U1л =10/0.69 кВ

Ток холостого хода:

I0 =2.25 %

Мощность холостого хода:

Pх =0.82кВт

Мощность короткого замыкания:

Pк =3.7 кВт

Напряжение короткого  замыкания:

Uк =4.5 %

Схема группового соединения:

Y/Y-0

Материал обмоток:

Алюминий

Число фаз:

m=3

Частота:

f=50 Гц

Режим работы:

- продолжительный

Охлаждение:

- масляное

Установка:

- наружная

 

 

 

 

1. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

 

Мощность одной фазы и одного стержня:

 

Sф=S`=S/3=250/3=83.33 кВА

 

Номинальные линейные токи обмоток  НН и ВН:

 

Iл1= S/√3*Uл1=250/√3*0,69=209.18 А

 

Iл2= S/√3*Uл2=250/√3*10=14.43 А

 

Фазные токи обмоток НН и ВН:

                                                      Iф1=I1= I1л=209.18 А

                                                        

Iф2= I2л=14.43 А

 

при соединении обмоток  по схеме Y

 

Iф= Iл

 

Фазовые напряжения обмоток НН и ВН:

 

При соединении обмоток по схеме ∆;

 

U ф1=U1л/√3, при соединении обмоток по схеме Y:

 

U ф1=0.69/√3=0.39 кВ

 

U ф2=10/√3=5.77 кВ

Определяем испытательные  напряжения обмоток

(Uисп.1, U исп.2) по номинальным

линейным напряжениям (табл. 4.1 [1]).

 

Uисп.1=5 кВ;      Uисп.2=35 кВ;

 

 

 

 

 

Определяем предварительный тип обмотки НН – цилиндрическая двух-

слойная из прямоугольного провода и ВН – цилиндрическая многослойная из круглого провода (табл. 5.8. [1]).

 

 

 

 

 

 

 

 

По испытательным напряжениям  определяем изоляционные расстояния обмоток НН, ВН с учетом конструктивных требований (табл. 4.4., 4.5., рис. 4.6. [1]). 

 

Минимальные изоляционные расстояния обмотки НН:

L01=15 мм – расстояние обмотки НН от ярма;

 

 

     δ01=1 мм – дополнительная изоляция между обмоткой НН и стержнем из картона;

    а01=4 мм  - расстояние между обмоткой НН и стержнем;

Минимальные изоляционные расстояние обмотки ВН:    

     L02=30 мм - расстояние обмотки ВН от ярма;

      а12=9 мм  - расстояние между обмоткой ВН и НН;

      δ12=3 мм – дополнительная изоляция между обмоткой ВН и НН из картона;

     lц2 =15 мм – размер выступа цилиндра за высоту обмотки ВН;

     а22=10 мм  - расстояние между обмотками ВН соседних стержней;

 

 

 

 

 

 

 

Активная составляющая напряжение короткого замыкания:

 

Ua=Pк /10*S=3700/10*250=1.48 %

 

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:

 

 

Uр=√ Uк²- Ua²=√4.5²-1.48²=4.25 %

 

 

 

 

 

2. Выбор и расчет основных  размеров трансформатора

 

 

Выбираем трехфазную стержневую шихтованную магнитную  систему, с косыми стыками на крайних стержнях и прямыми стыками на среднем. Прессовка стержней без прессующих пластин бандаж из стеклоленты, ярм стальными балками. Материал магнитной системы - холоднокатаная текстурованная рулонная ткань марки 3404 толщиной 0.35 мм. Изоляция пластин - нагревостойкое изоляционное покрытие.

По таблице 2.2. [1] определяем коэффициент заполнения Кз для рулонной холоднокатаной стали:

- принимаем коэффициент  заполнения сталью Кз= 0.97

По таблице 3.12. определяем коэффициент соотношения между шириной и высотой трансформатора  В= 1.3

 

По таблице 2.5. [1] определяем число ступеней в сечении стержня современных трехфазных масляных трансформаторов:

- при мощности трансформатора 250кВ-А выбираем 6 ступеней без прессующей пластины;

- коэффициент заполнения круга Ккр= 0.913;

Коэффициент заполнения Кс площади круга сталью:

Кс= Ккр* Кз = 0.913 *0.97 = 0.89

По таблице 2.4.[1] Вс = 1,6Тсл – индукция в стержне постоянная величина.

 

Диаметр стержня выбираем по таб.[2]  d=0.18 м;

 

d12 – средний диаметр канала между обмотками НН и ВН:

 

d12=a*d=1.44*0.18=0.26 м

 

a=1.36*1.06=1.44 кВ - таблица 3.4

 

 

Высота обмотки l:

 

l=π*d12/β=3.14*0.26/1.3=0.628 м

 

 

Активное сечения стержня:

 

Пс=Кс* π*d/4=0.89*3.14*0,18²/4=0,022 м²

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. РАСЧЕТ ОБМОТОК ТРАНСФОРМАТОРА

 

При расчете обмоток необходимо иметь ввиду, что плотность тока не должна превышать допустимых значений:

для медных обмоток jм < 4,5 А/мм²

                               для алюминиевых обмоток jм < 2,7А/мм²

3.1. Расчет обмотки НН

 

Электродвижущая сила одного витка:

 

Uв=4.44*f*Пс*Вс=4.44*50*0.022*1.60 = 7.81 В.

Число витков обмотки:

                           W1=U1ф/ Uв=0.39/7.81=50 витков

                                    Принимаем: W1 = 50 витков.

Средняя плотность тока в обмотках для алюминиевых обмоток:

Jср =0.463*Кg*Рк*Uв/S*а12*10000=

0.463*0.95*3700*7.81/250*0.26*10000=1.96 А/мм²

Принимаем Кg= 0.95, где Кg=0.95 -

- коэффициент, учитывающий  добавочные потери в обмотках                     и полных    потерь к.з. (табл. 3.6.[1]):

 

 

Ориентировочное сечение витка:

П¹в1=I1ф/ Jср =209.18/1.96=106.72 мм²

 

Выбираем тип обмотки по таблице 5.8.[1] – цилиндрическая двухслойная из

прямоугольного провода.

 Далее производим расчет выбранного типа обмотки

Для двухслойной обмотки число витков в одном слое:

Wсл.1= W1/2=50/2=25

Ориентировочный осевой размер витка:

h¹в1=l1/ (Wсл.1+1) =0.628/ (25+1) =0.024м

h¹в1=24мм;

по полученным данным ориентировочного сечения витка, по сортаменту обмоточного провода по таблице 5.2.[1] подбираем подходящее сечение прямоугольного провода.

Марка провода  n в1*а*b/а¹*b¹

Толщина изоляции δ=0.5мм

Выбираем провод АПБ=2×4.75×11.2/5.25×11.7

П1"=52,3 мм² - сечение выбранного провода

Определяем полное сечение  витка:

П в1= n в1* П1"=2*52,3=104.6 мм²

Определяем плотность тока в выбранном проводе:

J1=I1/П1*10ˉ6=209.18/104.6=1.99 А/ м²

Определяем осевой размер обмотки:

l1= hв1*(Wсл.1+1) + (0.005÷0.015)

hв1=2*11.7=23.4мм=0.0234м

l1=0.0234*(25+1)+ (0.005÷0.015)

l₁=0.608+0.02=0.628м

l1= l2= l

l1= l =0.628

радиальный размер обмотки:

а₁=(а´ + а₁₁)*10^-3=(2*5.25+7)* 10^-3=0.06 м

а₁₁  =7мм - выбираем по табл. 9.2а

 

Внутренний диаметр обмотки:

D1´=d+2a₀₁*10ˉ³=0.18+2*4*10ˉ³=0.188 м

Наружный диаметр обмотки:

D1"= D1´+2а1=0.188+2*0.6=0.308 м

Определяем средний диаметр обмотки:

Dср = D1"+ D1´/2=0.188+0.308/2=0.25 м

Определяем массу метала обмотки НН:

G01=8.47*10³*c* Dср* W1*П1=8.47*10³*3*0.25*50*104.6*10ˉ6=33.22 кг

Определим массу провода  НН:

Gпр1=1.048* G01=1.048*33.22=34.81 кг

Где:

1,048 – ориентировочное увеличение массы прямоугольного алюминиевого провода марки АПБ в процентах, по таблице 5,5 [1]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2. Расчет обмотки ВН

Число витков обмотки  ВН при номинальном напряжении:

W2н =W1*Uф2 /Uф1=50*5.77/0,39=740 витков

Напряжение, приходящееся на одну степень регулирования:

∆U_р  =0.025* U_Л2 =0.025*10*10⁴ =250

Число витков на одной ступени регулирования

 при соединении  обмотки ВН в звезду:

W_Р =

= 250/ *7.81=18

Распределение витков обмотки ВН по ступеням:

 

U2H + 5%	W2Н + 2WР = 740+2 *18 = 776
U2H +2,5%	W2Н + WР = 740+18 = 758
U2H	W2Н = 740
U2H - 2,5%	W2Н - WР = 740-18= 722
U2H - 5%	W2Н - 2WР = 740-2*18= 704

 

Ориентировочная плотность  тока:

J¹₂ = 2j_ср – j₁ =2*1.96-1.99=1.93А/мм² 
Ориентировочное сечение витка:

П¹_в2 = I₂ф / J¹₂ =14.43/1.93=7.48мм²

По таблице 5.8 выбираем тип обмотки  –

Цилиндрическая многослойная из круглого провода (рис. 6.10)

По таблице 5.1 выбираем провод

АПБ-

1

(d¹=3.55)

Полное сечение витка:

П_в2 =7.795мм² (выбрали по табл.5.1)

Рисунок 6.10.

Многослойная цилиндрическая обмотка  из провода круглого сечения   

Полученная плотность  тока:

J₂ =I_2ф/ П_в2 =14.43/7.795=1.85А/мм²

Число витков в слое:

W_сл.2=l₂*10³/n_в2*d¹-1=0.628*10³/1*3.55-1=176 витков

Число слоев в обмотке:

n_сл.2 =W₂/ W_сл.2=776/176=4.4=5 слоев

W₂ – берем максимальное (W_2Н + 2W_Р)   

Рабочее напряжение двух слоев:

U_мсл=2* W_сл.2* U_в=2*176*7.81=2749.12В

По таблице 4.7 выбираем число слоев и общую толщину  δ_мсл

кабельной бумаги в изоляции между двумя слоями обмотки

4

0.12 => δ_мсл=0.48мм

Радиальный размер обмотки (без экрана, одна катушка):

а₂= [d¹* n_сл.2 + δ_мсл*( n_сл.2-1)]*10^-3

а₂=[3.55*5+0.48*(5-1)]*10^-3=0.02м

Внутренний диаметр  обмотки:

D₂´= D1" + 2*а₁₂=0.308+2*0.009=0.326м

Наружный диаметр обмотки:

D₂"= D₂´ + 2*а₂=0.326+2*0.02=0.366м                 

Определяем средний диаметр  обмотки:

D_2ср= (D₂´+ D₂")/2 = (0.326+0.366)/2=0.35м

Определяем массу металла  обмотки:

G02 = 8.47*10³*с* D_2ср* W₂* П_в2

G02 = 8.47*10³*3*0.35*776*7.795*10^-6 = 53.8кг

Определим массу провода  НН:

Gпр2 = 1.048* G02

Gпр2 = 1.015*1.033*53.2 = 55.8кг

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. РАСЧЕТ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ  ТРАНСФОРМАТОРА

 

 

 

Принимаем конструкцию  трехфазной плоскости шихтованной  магнитной системы, собираемой из пластин холоднокатаной стали марки 3404, толщиной 0,35мм, рисунок 2.17. б .[I].

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.17. б.[I].

 

По таблице 8.2.[1] определяем для стержня диаметром 0.18 м, без прессующей пластины, размеры пакетов.

nс  = 6 — число ступеней

nя = 5 - число ступеней в ярме;

kкр ⁼ 0.915 - коэффициент заполнения круга;

ая = 95 мм - ширина крайнего наружного пакета ярма.

 

 

 

 

 

Размеры пакетов (мм):

 

№ пакета	Стержень, мм,	Ярмо (в половине поперечного сечения), мм,
1	175×21	175×21
2	155 25	155 25
3	135 13	135 13
4	120 8	120 8
5	95 9	95 17
6	65 8	------

 

 

Высота ярма h_я=0.175м

Ширина ярма b_я=0.168м(общая суммарная толщина пакетов стержня)

Площади ступенчатых  фигур поперечных сечений стержня  П_фс и ярма П_фя, а также объем угла магнитной системы V_у определяем по таблице 8.6:

 

П_фс=232.8*10^-4м²

П_фя=237.6*10^-4м²

V_у=3452*10^-6м³

 

Активные сечения стержня  и ярма:

 

П_с=К_з* П_фс = 0.97*232.8*10^-4 = 225.816*10^-4м²

П_я = К_з* П_фя=0.97**237.6*10^-4=230.472*10^-4м²

 

Объем стали угла магнитной  системы:

 

V= К_з *V_у=0.97*3452*10^-6=3348.44*10^-6м³

 

Длина стержня:

 

l_с = l+(l₀₁+l₀₂) = 0.628 + 0.015 + 0.03 = 0.673м

 

Расстояние между осями  стержней:

 

C = D₂" + а₂₂ = 0.366 + 0.01 = 0.376м

а₂₂ – расстояние между обмотками ВН соседних стержней (табл. 4.5)

 

Высота активной части:

 

H_ач = l_с +2* h_я = 0.673 * 2*0.175 = 1.023м

 

Масса стали угла магнитной системы:

 

 

G_у = К_з* V_у*γ_ст = 0.97*3452*10^-6 *7650 = 25.6кг

γ_ст – удельный вес трансформаторной стали (кг/м³)

 

Масса стали ярма:

 

G_я = G¹_я + G¹¹_я = 2*П_я*2*С* γ_ст + 2* G_у

 

G_я = 2*230.472*10^-4*2*0.376*7650 + 2*25.6 = 265.2кг

 

 

Масса стали стержней:

 

G_c = G¹_c + G¹¹_c = с*П_с*l_с*γ_ст* + с*(П_с*а_1я* γ_ст - G_у)

 

G_c = 3*225.816*10^-4*0.673*7650 + 3*(225.816*10^-4*0.175*7650 – 25.6)

 

G_c= 362.7кг

 

 

Общая масса стали:

 

G_ст = G_c + G_я = 362.7 + 265.20 = 627.90кг

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ К.П.Д. ТРАНСФОРМАТОРА

 

η = [1 – (P_х + P_к)/(S + P_х + P_к)]*100%

 

 

η = [1 – (0.82 + 3.7)/(250 + 0.82 + 3.7)]*100%

 

η = 98.2%

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

 

 

Нами произведен расчет трансформатора мощностью S = 250кВА, напряжением 10/0.69кВ. По получены расчетным значениям видно, что активная часть трансформатора получилась компактней относительно серийного исполнения активной части трансформатора такой же мощности. Кроме того,  значительно снижаются затраты по материалам для изготовления рассчитанного трансформатора.

Экономическая  оценка рассчитанных  вариантов  каждого  типа трансформаторов серий считается  важнейшим критерием   при выборе оптимального варианта. Так как произведенный  нами расчет по заданным параметрам трансформатора, выполнен только в единственном варианте, необходимо сравнить его с другими вариантами расчетов таково же типа трансформаторов, для получения оптимального экономичного варианта.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТО ЧНИКОВ

1. Тихомиров П.М. Расчет  трансформаторов (издание шестое стереотипное) Издательский дом Альянс. Москва, 2009г.

2. Данчиров Б.А. Методические  указание по курсовому проектированию  по курсу «Электромеханика» 2001.

3. Данилов Н.А., К.В.  Лотоцкий. Электрические машины. Москва «Локос»1972.

4. Майорец А.И. Магнитопроводы  силовых трансформаторов. Москва  «Энергия» 1973.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     Обозначение                                    Наименование          Прим.