Розрахунок і конструювання силових трансформаторів
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ
ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД
ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Кафедра «Електромеханіки і теоретичних основ електротехніки»
Курсовий проект
Тема: «Розрахунок і конструювання силових трансформаторів»
Пояснювальна записка до курсового проекту
З дисципліни « Електричні машини»
КП 09.0603-03-393.146. ЕО
Виконав студент групи ЕСЕ 09-а ____________ Куруч Д.Г.
Перевірив проф. ____________ Апухтін О.С
Нормоконтролер ____________ Апухтін О.С
Донецьк 2012
РЕФЕРАТ
Пояснювальна записка до курсового проекту: 44 с., 12 рис.,
3 джерела, 1 додаток.
Мета роботи – сконструювати
і розрахувати трифазний двохоб
Об’єктом розрахунку і конструювання є трифазний двохобмотковий трансформатор повної потужності Sн=1000кВА, номінальна напруга обмоток нижчої напруги U1н=0,4 кВ, номінальною напругою обмоток вищої напруги U2н=10кВ.
Визначено основні розміри трансформатору з плоскою магнітною системою стрижневого типу (стрижень d=0,24 м), виконаної із холоднокатаної сталі марки M4X. Зроблено вибір і розрахунок обмоток низької напруги – циліндрична багатошарова із прямокутного дроту марки АПБ перерізом 74,1 мм , та високої напруги –циліндрична багатошарова з прямокутного дроту марки АПБ, переріз витка 29,6 мм .
Визначені характеристики Uк=5,738%, Рк=11960 Вт, значення температури обмотки високої напруги та обмотки низької напруги не перевищує 65 С, вага конструкційних матеріалів трансформатора 4812,365 кг.
ТРАНСФОРМАТОР, НАПРУГА, ОБМОТКА, ХАРАКТЕРИСТИКИ, КОНСТРУКЦІЙНІ МАТЕРІАЛИ, ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНА СТАЛЬ, СТРУМ, МАГНІТОПРОВОД, АЛЮМІНІЙ.
ЗМІСТ
Перелік умовних
позначок і скорочень ………………………
Вступ …………………………………………………………………..………
1. Розрахунок основних
2. Розрахунок основних розмірів
трансформатора.…………………….......
3. Вибір конструкції і
3.1. Розрахунок обмоток НН………………………
3.2. Розрахунок обмоток ВН ...……………………………………………14
4. Визначення характеристик
короткого замикання…………………....
4.1. Втрати короткого замикання....………………………………………18
4.2. Напруга короткого замикання………………………………………...20
4.3. Механічні
сили в обмотках………………………………………
5. Розрахунок магнітної системи
трансформатора……………………........
5.1 Визначення розмірів магнитопровода…………………………………23
5.2. Визначення втрат неробочого ходу……………………………….......26
5.3. Визначення
струму неробочого ходу……………………
6. Тепловий розрахунок трансформатора……………………………………..
6.1. Тепловий розрахунок обмоток…………………………………….......28
6.2. Тепловий розрахунок бака....……………………………………………30
6.3. Розрахунок перевищень температури обмоток і олії
трансформатора....………………………………
7. Визначення маси конструкційних матеріалів і олії………...………..........35
8. Зведені дані розрахунку трансформатора…………………………………..
Висновки…………………………………………………………
Перелік використаних джерел………………………………….…………......
Додаток А...………………………………………………………………….
Паспорт……………………………………………………………
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧОК ТА СКОРОЧЕНЬ
ОВН – обмотка високої напруги;
ОНН – обмотка низької напруги;
Sф – потужність однієї обмотки на одному стрижні;
U1н – номінальна напруга ОНН;
U2н – номінальна напруга ОВН;
т – кількість фаз;
с – кількість активних стрижнів;
h’в – орієнтовна висота витка;
- кількість елементарних дротів;
h - висота провідника без ізоляції;
а,в – розміри дроту без ізоляції;
a’,в’ – розміри дроту з ізоляцією;
- густина струму;
а11 – радіальний розмір каналу;
W – число витків;
НН – низька напруга;
ВН – висока напруга;
ВСТУП
У народному господарстві використовуються трансформатори різного призначення в діапазоні потужностей від часток вольт - ампера до 1 млн. кВ.А і більш. Трансформатором називається статичний електромагнітний пристрій, що має дві чи більш індуктивно зв'язані обмотки і призначений для перетворення за допомогою електромагнітної індукції однієї чи кілька систем змінного струму в одну чи кілька інших систем змінного струму.
Призначення силових трансформаторів
– перетворення електричній енергії
в електричних мережах і
Коефіцієнт корисної дії трансформаторів дуже великий і для більшості їх складає 98-99% і більше, однак необхідність багаторазової трансформації енергії й установки в мережі трансформаторів із загальною потужністю, у кілька разів перевищуючої потужність генераторів, приводить до того, що загальні втрати енергії у всьому парку трансформаторів досягають істотних значень. Тому однієї з найважливіших задач у даний час є задача істотного зменшення втрат енергії в трансформаторах, тобто втрат холостого ходу і втрат короткого замикання.
Зменшення втрат холостого ходу досягається, головним чином, шляхом усе більш широкого застосування холоднокатаної рулонної електротехнічної сталі з поліпшеними магнітними властивостями – низькими й особливо низькими питомими втратами і низкою питомою потужністю, що намагнічує.
Нові конструкції магнітних систем характеризуються застосуванням косих стиків пластин у кутах системи, стяжкою стрижнів і ярем кільцевими бандажами замість наскрізних шпильок у старих конструкціях і багатоступінчастій формі перетину ярма в плоских магнітних системах.
Метою даної курсової роботи є проектування силового трансформатора з заздалегідь заданими параметрами. У вихідні дані входять: потужність трансформатора – S = 1000 кВА, висока напруга – U2 = 10000 В, низька напруга – U1 = 400 В, втрати холостого ходу – РО = 2,45 кВт, втрати короткого замикання – РК = 12,2 кВт, напруга короткого замикання – UК = 5,5%, струм холостого ходу – IО = 1,4%.
Проект виконувався згідно навчального посібника і рекомендованої літератури.
1 РОЗРАХУНОК СНОВНИХ
- Потужність однієї обмотки на одному стрижні:
Sф =
де m = 3- кількість фаз, c = 3 кількість активних стрижнів.
- Фазні напруги обмоток низької та високої напруги:
Uф1 = U1 = 0,4 кВ ,
- Фазні струми обмоток низької та високої напруги:
- Передчасне значення активної та реактивної складової напруги короткого замикання, %:
Uка =
де Ркз – витрати короткого замикання Вт;
Sn- повна потужність трансформатора кВА.
- РОЗРАХУНОК ОСНОВНИХ РОЗМІРІВ ТРАНСФОРМАТОРА
Виконую ескіз активної частини трансформатора по [I, рис. 2.1] та обираю по [I, табл. 2.1 й 2.2] мінімальні ізоляційні відстані між обмотками високої (ВН) та низької напруги (НН), а також між стрижнем та обмоткою НН.
Рисунок 2.1 – Основні розміри трансформатора
- Сумарний орієнтовний приведени
й радіальний розмір обмоток ВН та НН:
де Sф- потужність однієї фази;
к – коефіцієнт,знайдений в залежності від потужноті трансформатора, металу обмоток, напруги обмотки ВН і втрат короткого замикання [I, табл. 2.3.] к=0,47.
1,25 – Для обмоток з алюмінієвого проводу значення к, знайдене з таблиці, помножимо на це число.
- Попередня ширина приведеного каналу розсіювання трансформатора, м:
де а12 – розмір каналу між обмотками ВН і НН [I, табл. 2.2.], а12 = 0,03 м.
2.3 Коефіцієнт заповнення круга сталлю:
де ККР – коефіцієнт відношення площі ступінчатої фігури поперечного перерізу стрижня до площі кола з діаметром d.
КЗ – коефіцієнт відношення площі східчастої фігури поперечного перерізу стрижня до площі ступінчатою фігури поперечного перерізу стрижня.
Ккр =0,925[I, табл. 2.5];
Кз=0,970 [I, табл. 2.4].
Рисунок 2.2 – Головна ізоляція обмоток ВН і НН
Попередня величина індукції в стрижнях масляних трансформаторів у відповідності з рекомендаціями [I, с. 18] вибирається по табл. 2.6.
Рекомендовані значення коефіцієнта b, який зв’язує середню довжину окружності каналу розсіювання між обмотками трансформатора й висоту обмотки, вибираються за табл. 2.7 [I, табл. 2.7]. Для алюмінію при заданій потужності трансформатора рекомендується β = 1,3 – 1,7.
Приймаємо β = 1,4.
Для потужності 1000кВ*А Вс лежить в межах 1,55-1,65Тл, тому попередньо обираємо Вс = 1,55.
- Попередній діаметр стрижня:
де b = 1,4; f1 = 50Гц;
Вс = 1,55Тл – рекомендована індукція у стрижнях масляних трансформаторів;
Кр = 0,95– коефіцієнт приведення досконалого поля розсіювання до реального поля ( коефіцієнт Роговського);
Остаточний діаметр стрижня слід вибирати по нормалізованій шкалі –
dн = 0,24 м.
- Після вибору найближчого діаметра стрижня визначаємо значення bн, яке відповідає нормалізованому діаметру:
- Радіальний розмір обмотки НН
а1 може бути визначений попередньо за формулою:
де К1 – коефіцієнт, який визначається за табл. 2.8[I, табл. 2.8], К1=1,4 (Для трансформаторів потужністю 1000кВ*А та класом напруги U=10кВ).
- Середній попередній діаметр каналу між обмотками:
де =0,015м – (таблиця 2.1 [I]);
=0,03м – (примітка 1 до таблиці 2.2 [I]).
( див. рисунки 2.1, 2.2 табл. 2.1 й 2.2).
- Висота обмотки трансформатора:
- Активний (чистий) перетин сталі стрижня:
- Визначення ЕРС витка:
- Число витків фази НН й ВН:
- Середня щільність струму в алюмінієвих обмотках:
де Кд – коефіцієнт додаткових втрат, приймається за табл. 3.7 [І, табл.3.7]
Кд=0,89.
- Значення щільності струму отримане в пункті 2.12 не перебільшує табличних значень(I, табл.3.8):
1,896<2,6МА/м2
- Орієнтовний переріз витка кожної обмотки ВН та НН:
Враховуючи рекомендації [1, гл. 3 та табл. 3.2] обирається тип обмоток НН та ВН:
ВН –
циліндрична багатошарова з
НН – циліндрична багатошарова з прямокутного дроту.
3 ВИБІР КОНСТРУКЦІЇ І РОЗРАХУНОК
ОБМОТОК
3.1 Розрахунок обмоток НН
Визначаємо напругу одного витка після округлення розрахованого числа витків:
В.
Діюча індукція в стрижні:
Тл ;
Отримане значення індукції лежить у заданих межах і відповідає значенням таблиці 2.6[1] (1,55<1,585<1,65Тл).
За значеннями потужності, класу напруги, струму, переріза витка й матеріалу обмоток обираємо за таблицею. 3.9[1] тип обмоток: обмотка ВН при напрузі 10кВ і струмі 57,735А - циліндрична багатошарова обмотка із прямокутного проводу; обмотка НН при напрузі 0,4кВ і струмі 833,333А - циліндрична багатошарова обмотка із прямокутного проводу.
3.1.1 Розрахунок обмотки низької напруги з прямокутного дроту
3.1.1.1 Приймаємо орієнтоване число шарів обмотки nСЛ = 4.
3.1.1.2 Визначаємо орієнтоване число витків у шарі:
3.1.1.3 Орієнтована висота витка з ізоляцією:
h =
де l – висота обмотки низької напруги по п. 2.8.
3.1.1.4 Визначення орієнтовного числа елементарних проводів у витку:
75*10-6м2 – переріз паралельних проводів, з яких набирається виток.
Знайдене число елементарних проводів у витку округлюємо до найближчого цілого числа, тобто nел=6.
3.1.1.5 Орієнтовний переріз елементарного проводу:
3.1.1.7 Орієнтовна висота
3.1.1.8 Орієнтовна висота
hПР = h´ПР – δЗ,
де δЗ = 0,5 мм - двостороння товщина ізоляції (I, табл. 3.2, 3.3, примітка 1 до таблиці 3.2 [I]).
hПР = 0,016 – 0,0005= 0,0155 м.
3.1.1.9 На підставі hПР=0,0155 м і необхідного перетину ПЭЛ=73,240 мм2 за табл.3.2,[1] обираємо алюмінієвий провід марки АПБ (a = 5 мм і b=15мм).
Характеристику витка записуємо у вигляді:
АПБ ×
Рисунок 3.1 – Форма перерізу витка обмотки нижчої напруги при nЭЛ =6
3.1.1.10 Уточнюємо висоту витка:
h = nЭЛ·b´ = 6·0,0155 = 0,0930 м;
3.1.1.13 Фактичний перетин витка:
П´1 = nЭЛ·ПЭЛ·10-6 = 6·74,1·10-6 = 444,600·10-6 м2.
3.1.1.14 Дійсна щільність струму:
що в межах припустимого 1,5-2,6 А/м2 (табл. 3.8,[1]).
3.1.1.16 Остаточно осьовий розмір обмотки:
l1 = h·(WСЛ +1) + (0,005÷0,015) = 0,093 ·(7 + 1) + 0,01 = 0,754 м.
3.1.1.17 Радіальний розмір обмотки (табл. 3.11,[1]):
a1 = (n´СЛ·a´ +a11)·10-3 = (4·5,5+7 )·10-3 = 0,029 м,
де а11 – радіальний розмір каналу посередині обмотки НН.
а11 = 7 – для довжини охолоджувального каналу 500-1000мм (таблиця 3.11,[1])
3.1.1.18 Внутрішній діаметр обмотки:
D´1 = d + 2·a01·10-3 = 0,24 + 2·15·10-3 = 0,27 м.
3.1.1.19 Зовнішній діаметр обмотки:
D´´1 = D´1 + 2·a1 = 0,27 + 2·0,029 = 0,328 м.
3.1.1.20 Радіальний діаметр обмотки:
d12= D´´1+ a12=0.328+0.03=0.358 м.
3.1.1.21 Перевіряємо реальне значення коефіцієнта β:
β =(π d12)/ l1=3,14*0,358/0,754=1,492
Знайдене значення β лежить не виходить за рекомендовані межі за табл.2,7[1]: β=1,3 – 1,7
3.1.1.20 Поверхня охолодження обмотки НН при наявності каналу охолодження:
П01 = 2·с·КЗ·π·(D´1 + D´´1)·l1 ,
де с = 3 – число активних стрижнів;
КЗ = 0,75 – коефіцієнт, що враховує закриття частини поверхні обмотки рейками та іншими ізоляційними деталями.
П01 = 2·3·0,75·3,14·(0,27 + 0,328)·0,754 = 6,374 м2,
3.1.1.21 Орієнтована щільність теплового потоку обмотки НН:
Вт/м2.
Знайдене значення q1 знаходиться в межах 800 - 1400 Вт/м2.
3.2. Розрахунок обмотки ВН.
При виборі обмотки ВН варто враховувати необхідність виконання відгалужень для регулювання напруги. У масляних трансформаторах із ПБЗ (переключенням без збудження) передбачаються чотири відгалуження на +5%; +2,5%; -2,5% і –5% номінальної напруги крім основного затискача з номінальною напругою.
Рисунок 3.2 - Схема виконання відводів у обмотці при регулюванні
3.2.1 Число витків обмотки ВН при номінальній напрузі
W2 = W1·
3.2.2 Числовитків на одній ступені регулювання напруги при з’єднанні обмотки ВН у зірку:
де Uв – напруг а одного витка обмотки, В.
Приймаємо Wр=10 витків
3.2.3 Орієнтована щільність струму в обмотках:
Δ2 = 2·ΔСР1 – Δ1 = 2·1,896 – 1,896 = 1,896 МА/м2.
3.2.4 Орієнтований перетин витка обмотки:
3.3 Розрахунок багатошарової
3.3.1 Число витків в обмотці
з урахуванням межі для
W2' = 1,05·W2=1,05*404=424,2,
Приймаємо 424 витки.
3.3.2 Загальний сумарний радіальний розмір проводів:
де =0,93 для алюмінію – коефіцієнт, який ураховує ізоляцію проводів в осьовому напрямку обмотки.
П2 – орієнтований перетин витка;
l2=l1 – висота обмотки ВН дорівнює висоті обмотки НН.
3.3.3 Загальний гранично
На підставі необхідного перетину ПЭЛ = 30,447 мм2 по табл. 3.2 [1] вибираємо алюмінієвий провід марки ПБ (a = 3,35 мм і b = 9 мм із перетином 29,6 мм2).
Характеристику витка
АПБ ×
3.3.4 Повний перетин витка:
П2 = nВ2·П´´2·10-6 = 1·29,6·10-6 = 29,6 мм2.
Рисунок 3.4 – Форма перерізу витка обмотки вищої напруги при nЭЛ = 1.
3.3.5 Отримана щільність струму:
3.3.6 Число витків у шарі:
WСЛ2 =
витків,
де l2 = l1 = 0,754 м; приймаємо число витків у шарі - 85.
3.3.7 Число шарів в обмотці
з урахуванням витків для
nСЛ2 =
Приймаємо nсл=5.
Напруга, В Число витків на відгалуженнях
6300 404 + 2∙10 = 424 витка
6150 404 +10 = 414 витка
10000 404 витка
5850 404 – 10 = 394 витка
5700 404 - 2∙10 = 384 витка
3.3.8 Робоча напруга двох шарів:
UМ.СЛ = 2·WСЛ2·UB = 2·85·14,286 = 2429 В.
По цій напрузі по табл. 4.7 [1] вибираємо число шарів кабельного паперу марки ДО-120 за ДСТ 23436-83Е 4×0,12 мм, виступ ізоляції 20 мм із кожного кінця обмотки. З торців кожного шару вгорі і внизу зміцнюються паперово-бакелітові циліндричні кільця товщиною 0,5 мм.
Загальна товщина ізоляції δМ.СЛ = 4×0,12 = 0,48 мм.
За умовами охолодження кожного стрижня обмотки виконуються у виді двох концентричних котушок з осьовим масляним каналом між ними. Мінімальну ширину масляного каналу а´22 вибираємо по табл. 2.2а [1]. Вона дорівнює 30 мм.
3.3.8 Радіальний розмір обмотки:
a2 = [a1·nСЛ2 + δМ.СЛ·(nСЛ2 – 1) + а´22·nk]·10-3 = [3,85·5 + 0,48·(5–1) + 7·1]·10-3 =0,028 м,
де а´22 – радіальний розмір каналу між двома котушками, мм, за табл.3.11[1];
nk – число осьових каналів.
3.3.9 Внутрішній діаметр обмотки:
D´2 = D´´1 + 2·a12 = 0,328 + 2·40·10-3 = 0,408 м,
де a12 = 40 мм – збільшуємо для покращення характеристик напруги короткого замикання.
3.3.10 Зовнішній діаметр обмотки:
D´´2 = D´2 + 2·a2 = 0,408 + 2·0,028 = 0,464 м.
Розмір між осях стрижнів :
С= D´´2 + a22·10-3 = 0.464 + 0.018=0.482 м,
Де a22 – відстань між обмотками сусідніх стрижнів.
3.3.11 Поверхня охолодження обмотки:
П02 = С·n·k·π·(D´2 + D´´2)·l2 ,
де С = 3 – число стрижнів магнітної системи;п і k – з табл. 3.1,[1];
для двох котушок n=1,5, k=0,83
l2 – висота обмотки ВН, уточнюється після вибору розміру ф числа провідників за рівням, м:
l2=nв2·b1·(Wсл2+1) ·10-3=1·9,5·(85+1) ·10-3=0,817 м,
де b1 – висота провідника, мм.
П02 = 3·1,5·0,83·3,14·(0,408 + 0,464)·0,817 = 8,363 м2;
3.3.12 Орієнтована щільність теплового потоку:
q2 = 0,55·PK·103/П02 = 0,55·12,200·103/8,363 = 802,369 Вт/м2.
q2≤800÷1400
4 ВИЗНАЧЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК КОРОТКОГО
ЗАМИКАННЯ
4.1 Втрати короткого замикання
визначаються для кожної
4.1.1 Повна маса металу обмоток:
GМi = Kν·C·DCPi·Wi·Пi·103,
де i – приналежність до обмоток НН і ВН;
Кν = 8,47 – для алюмінію;
С – число активних стрижнів;
DCpi – середній діаметр обмоток НН і ВН, м;
Wi – число витків відповідної обмотки;
Пi – перетин витка, м2.
- обмотка НН:
GM1 =
- обмотка ВН:
GM2 =
4.1.2 Основні електричні втрати в обмотках:
Pi = K·Δ2i·GMi,
де К = 12,75 – для алюмінію;
- для обмотки НН:
P1 = 12,75·1,8962·94,581= 4336 Вт.
- для обмотки ВН:
Р2 = 12,75·1,9512·139,097 = 6058 Вт.
4.1.3 Маса металу відводів:
GОТВ.i = lОТВ·ПОТВi·γ,
де lОТВн = 7,5l=7,5*0,754=5,655 м;
lОТВв = 7,5l=7,5*0,817=6,128 м;
ПОТВ = Пi – перетин витка відповідної обмотки, м2;
γ – щільність металу обмоток (для алюмінію – 2700 кг/м3).
- для відводів НН:
GОТВ1 = 5,655·444,6·10-6·2700 = 6,788 кг.
- для відводів ВН: