Расчёт и проектирование силовых трансформаторов

 

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального обучения

Восточно-Сибирский Государственный

Технологический Университет

технологии и управления

Кафедра «АЭПП»

Курсовой Проект

по курсу Электромеханика

на тему

Расчет и проектирование силовых трансформаторов

Выполнил:

Павлов И.В.

г. Улан-Удэ

11 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Исходные данные

Основное содержание расчетов:

. Расчет основных электрических величин

2. Выбор и расчет основных размеров трансформатора

. Расчет обмоток трансформатора:

.1 Расчет обмотки НН

3.2 расчет обмотки ВН

4. Расчет магнитной системы трансформатора

. Определение КПД трансформатора

Заключение

Список используемой литературы

ВВЕДЕНИЕ

трансформатор обмотка магнитная

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, выбираемое на электростанциях, 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, предназначены 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 3,0/0,69 кВ.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Вариант № 62:

число фаз: m = 3;

частота сети: f = 50 Гц;

режим работы: продолжительный;

охлаждение: масляное;

установка: наружная;

полная номинальная мощность: S = 160 кВА;

номинальное линейное напряжение: U1 = 0.69 кВ;

номинальное линейное напряжение: U2 = 3 кВ;

ток холостого хода %: j0 = 2,3;

мощность холостого хода: Рх = 0,52 кВт;

мощность короткого замыкания: Рк = 2,65 кВт;

напряжение короткого замыкания %: Uк = 4,5;

схема и группа соединения обмоток: Y/Y- 0;

материал обмотки: Al (алюминий)

1. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Мощность одной фазы и одного стержня:

SФ= S = S/m =160 /3 = 53,33 кВА.

Номинальные линейные токи обмоток НН и ВН:

IЛ1 = = = 133,88 А.

IЛ2 = = =30,79 А.

Фазные токи обмоток НН и ВН:

IФ1= I Л1, при соединении обмоток по схеме Y; I1 = 133,88А

IФ2= I Л2 , при соединении обмоток по схеме Y; I2 = 30,79 А

Фазные напряжения обмоток НН и ВН:

U Ф1 = U Л1/ , при соединении обмоток по схеме Y;

U Ф2 = UЛ2 / , при соединении обмоток по схеме Y;

U Ф1 = 0,69/ = 0,4 кВ.

U Ф2 = 3 / = 1,73 кВ.

Определяем испытательные напряжения обмоток (Uисп.1 , Uисп.2 ) по номинальным линейным напряжениям (табл. 4.1.).

Uисп.1 = 5 кВ; Uисп.2 = 18 кВ

Определяем предварительный тип обмоток (табл. 5.8.):

НН - цилиндрическая двухслойная из прямоугольного провода.

ВН - цилиндрическая многослойная из круглого провода.

По (табл. 4.6.) определяем тип провода - прямоугольный, марки АПБ с толщиной изоляции 0,45 (0,50) мм на две стороны.

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:

= 15 мм - расстояние обмотки НН от ярма;

?01 = 2 х 0,5 мм - дополнительная изоляция между обмоткой НН и стержнем из картона;

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

Минимальные изоляционные расстояния обмотки ВН:

= 30 мм - расстояние обмотки ВН от ярма;

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

?12 = 3 мм - дополнительная изоляция между обмоткой ВН и НН из картона;

=15 мм - размер выступа цилиндра за высоту обмотки ВН;

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

Активная составляющая напряжения к.з.:

Ua === 1,66 % .

Реактивная составляющая напряжения к.з.:

Uр == = 4,18 %.

2. ВЫБОР И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ТРАНСФОРМАТОРА

Выбираем трехфазную стержневую шихтованную магнитную систему, с четырьмя косыми стыками на крайних стержнях и прямыми стыками на средних. Прессовка стержней бандажами из стеклоленты, прессовка ярм - стальными балками. Материал магнитной системы - холоднокатаная рулонная электротехническая сталь 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 2.4. [1] индукция в стержне Вс = 1,55 ÷1,65 Тл.

Принимаем Вс = 1,60 Тл.

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

при мощности трансформатора 160 кВ·А выбираем 6 ступеней без прессующей пластины;

ориентировочный диаметр стержня d=0,16м;

коэффициент заполнения круга Ккр = 0,913;

Коэффициент заполнения Кс площади круга сталью:

Кс = Ккр КЗ = 0,913 0,97 = 0,8856.

По таблице 8.6 определяем коэффициент усиления ярма

Кя ===1,02

индукция в ярме

Вя ===1,56 Тл

индукция в прямом зазоре

Вз=?с=1,6 Тл

индукция в косом зазоре

Вз/= =1,13 Тл

По таблице 3.4. а = 1,36 х1,06 =1,44.

По таблице 3.12.[1] определяем коэффициент соотношения между шириной и высотой трансформатора ? = 1,1 ÷1,5.

Принимаем ? = 1,13

? = .

Средний диаметр канала между обмотками НН и ВН:

d12 = a d = 1,44 0,16 = 0,23 м.

Высота обмотки :

= = = 0,64 м.

Активное сечение стержня:

ПС = КС = 0,8856 = 0,0178 м2

3. РАСЧЕТ ОБМОТОК ТРАНСФОРМАТОРА

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

для алюминиевых обмоток jА 2,7 А/мм2.

.1 РАСЧЕТ ОБМОТКИ НН

Электродвижущая сила одного витка:

UВ = 4,44fПСВС = 4,44 50 0,01781,60 = 6,32 В.

Число витков обмотки:

W1 = = = 64 витка

Принимаем: W1 = 64 витков

Средняя плотность тока в обмотках для алюминиевых обмоток:

jср = 0,463Кд = 0,4630,96 =2,02 А/мм2,

где Кд = 0,96 - коэффициент, учитывающий добавочные потери в обмотках и полных потерь к.з. (табл. 3.6.):

Ориентировочное сечение витка:

ПВ1 = = = 66,28 мм2.

По таблице 5.8 определяем тип обмотки: Цилиндрическая двухслойная из прямоугольного провода

Число витков в одном слое.

Wсл1 = = = 32 витков

Принимаем: Wсл1 = 32 витков

Ориентировочный осевой размер витка

hв1 = = = 0,01939 м = 19,39 мм

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

Марка провода nв1

Выбираем провод - АПБ 2

Пв1 = 31,42 = 62,8 мм2 -сечение выбранного провода

Расчитываем плотность тока в выбранном проводе:

j1 = = = 2,132 А/мм2.

Расчитываем осевой размер витка

hв1 = nв1 в/ х 10 -3

hв1= 2 х 9,5 х10 -3 =0,019 м

Расчитываем осевой размер обмотки

= hв1( Wсл+1)+(0,005 ÷ 0,015)

l1=0,019*(32+1)+ 0.013=0,64 м

Радиальный размер обмотки:

а1 =(2

а1= = 0,0131 м.=13мм

Радиальный размер канала выбираем по таблице 9.2а

а11= 5 ÷ 6, принимаем а11= 5 мм

По таблице 4.4 определяем а01=4мм=0,004м

Внутренний диаметр обмотки:

D1 = d + 2а01 = 0,16 + 2 0,004 = 0,168 м.

Наружный диаметр обмотки:

D1 = D1 + 2а1 = 0,168 + 2 0,013 = 0,194 м.

Расчитываем средний диаметр обмотки:

Dср= = = 0,181 м.

Расчитываем массу металла обмотки НН:

G01 =8,47 103 cDср1 W1 Пв1 = 8,47 1033 0,181 64 66,210-6 = 19,486 кг.

Расчитываем массу провода НН:

Gпр1 = 1,02 1,033 × G01 =1,02 1,033×19,486 = 20,532 кг.

где:

,02 - ориентировочное увеличение массы прямоугольного алюминиевого провода марки АПБ в процентах, по таблице 5.5 [1].

,033 - масса изоляции алюминиевого провода марки АПБ

3.2 РАСЧЕТ ОБМОТКИ ВН

Число витков обмотки ВН при номинальном напряжении:

W2Н = W1 = 64 = 277 витков.

Напряжение, приходящееся на одну ступень регулирования:

?Uр = 0,025 UЛ2 = 0,025 3000 = 75 В.

Число витков на одну ступень регулирования при соединении обмотки ВН в звезду:

WР = == 6,851 ?7 витков.

Распределение витков обмотки ВН по ступеням:

Ответвление обмоткиU2H + 5% W2Н + 2WР = 277+2 7 = 291U2H +2,5% W2Н + WР = 277+7 = 284U2HW2Н = 277U2H - 2,5%W2Н - WР = 277-7 = 270U2H - 5%W2Н - 2WР = 277-2 7= 263

Ориентировочная плотность тока:

j2 = 2jср - j1 = 2 2,02 - 2,021 = 2,019 А/м2

Ориентировочное сечение витка:

ПВ2 = ==15,25 мм2.

Выбираем тип обмотки по таблице 5.8.[1] - цилиндрическая многослойная из круглого провода, рисунок 6.10.

Осевой размер обмотки ВН принимается равным ранее определенному осевому размеру обмотки НН .

Рис. 6.10. [1].

По полученным данным ориентировочного сечения витка, по сортаменту обмоточного провода по таблице 5.1.[1] подбираем подходящие сечение круглого алюминиевого провода .

Марка провода nв1

Выбираем провод - АПБ 1

Пв2 = 15,9 мм2 - сечение выбранного провода

Расчитываем плотность тока в выбранном проводе:

j2 = = = 1,936 А/м2.

Число витков в одном слое:

Wсл2 = -1 =

Принимаем: Wсл2 = 126 витков

Число слоев в обмотке

nсл2 = = = 2,17 слоя

Принимаем: nсл2 = 3 слоя

Обмотку ВН будет состоять из 1 катушки с 3 слоями.

Определяем рабочее напряжение трёх слоев:

Uмсл=3Wcл2×Uв=3×134×6,32=2540,64 В

По рабочему напряжению трёх слоев по таблице 4.7 выбираем 4×0,12 слоев кабельной бумаги на толщину листов, мм. Выступ междуслойной изоляции на торцах обмотки (на одну сторону) - 16 мм.

?мсл = 4×0,12=0,48 мм

Радиальный размер обмотки:

а2 = .

а2 = = 0,013 м

Внутренний диаметр обмотки:

D2 = D1 + 2а12 = 0,194 + 2 0,009 = 0,212м.

Наружный диаметр обмотки:

D2 = D2 + 2а2 = 0,212 + 2 0,013 = 0,239 м.

Расчитываем средний диаметр обмотки:

Dср2 = = = 0,2255 м.

Расчитываем массу металла обмотки ВН:

G02 =8,47 103 cDср W2Пв2×10 -6

G02 = 8,47 1033 0,2255 291 15,9 10-6 = 26,512 кг.

Расчитываем массу провода ВН:

Gпр2 = 1,015 1,033 Gм2 =1,015 26,512= 27,80кг.

где:

,015 - ориентировочное увеличение массы круглого алюминиевого провода марки АПБ в процентах, по таблице 5.1.

,033 -увеличение массы алюминиевого провода по отношению к меди.

Общая масса металла обмоток ВН и НН:

Gм.общ = G01 + G02 = 19,486 + 26,512 = 46 кг.

Общая масса проводов обмоток ВН и НН:

Gпр,общ = Gпр1 + Gпр2 = 20,532 + 27,80 = 48,332 кг.

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 .[1].

Рис. 2.17. б .[1].

Стержни магнитной системы скрепляются бандажами из стеклоленты, ярма прессуются ярмовыми балками.

По таблице 8.2.[1] определяем для стержня диаметром 0,16 м, без прессующей пластины размер пакетов.

nc = 6 - число ступеней в стержне;

nя = 5 - число ступеней в ярме;

kкр = 0,913 - коэффициент заполнения круга;

ая = 0,085 м - ширина крайнего наружного пакета ярма.

Размеры пакетов (мм):

№ пакетаСтержень ,мм,Ярмо (в половине поперечного сечения) ,мм,1155×20155×20 2135 23135 233120 10120 104105 7105 7585 785 7(14)655 7 ------

hя = 0,155 м - высота ярма (ширина наибольшего пакета стержня);

bя = 0,074×2 = 0,148 м - ширина ярма (суммарная толщина всех пакетов стержня).

По таблице 8.6.[1] определяем площади сечения стержня Пф.с. и ярма Пф.я. и объем угла магнитной системы VУ :

Пф.с.= 183,5 см2

Пф.я.= 188,3 см2

VУ = 2470 см3

Активные сечения стержня:

ПС = КЗ Пф.с. = 0,97183,5= 178 см2.

Активные сечения ярма:

ПЯ = КЗ Пф.я. = 0,97188,3 =182,65 см2.

Объем стали угла магнитной системы:

V = КЗ VУ = 0,972470= 2395,9 см3.

Длина стержня:

= =м,

где: = 0,03 м определяем по таблице 4.5.[1]).

Расстояние между осями стержней:

С = D2 + а22 = 0,239 + 0,010 = 0,249м.

где: а22 = 10 мм определяем по таблице 4.5.[1]).

Высота активной части:

Hа.ч. = = = 1,01 м.

Масса стали угла магнитной системы:

GУ = КЗ VУ yст = 0,970,0024707650 10-6 = 18,33 кг,

где: yст = 7650 кг/м3 - удельный вес трансформаторной стали.

Масса стали ярм:

GЯ = 2 ПЯ 2Сyст,

GЯ = 2 0,0188320,2497650= 143,47 кг.

Масса стали стержней:

GС = сПСyст+ С(ПС а1Я yст- GУ ) =

= 3 0,01835 0,77650 + 3 (0,01835 0,155 7650 - 18,33)=294,79+10,29=305,08 кг.

Общая масса стали:

GСТ = GC+ GЯ = 305,08 + 143,29= 448,55 кг.

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КПД ТРАНСФОРМАТОРА

? = % = % = 98,1%

Заключение

В результате выполнения работы мы научились определять основные расчётные величины трансформаторов.

Список используемой литературы

1.Тихомиров П.М., Расчёт трансформаторов.М.: Энергоатомиздат, 1986.

2.Данчиков Б.А. Расчёт обмоток силовых трансформаторов. Методическая разработка к курсовому проектированию. Улан-Удэ. Издательство ВСГТУ. 2011г.

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального обучения Восточно-Сибирский Государственн

Больше работ по теме: