Расчет активной части и оценка эксплуатационных свойств силового трансформатора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Национальный исследовательский Томский политехнический Университет»

Институт электронного обучения

140400 Электроэнергетика и электротехника

Расчет активной части и оценка эксплуатационных свойств силового трансформатора

Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине

«Электрические машины»

Томск 2017

Содержание

Введение

1. Определение основных электрических величин

1.1 Определение линейных, фазных токов и напряжений обмоток ВН и НН.

1.2 Определение активной и реактивной составляющих напряжения короткого замыкания

1.3 Определение испытательных напряжений обмоток, изоляционных расстояний

2. Расчет основных размеров трансформатора

2.1 Выбор схемы, конструкции и технологии изготовления магнитной системы

2.2 Расчет основных коэффициентов

3. Расчет обмоток трансформатора

3.1 Расчет обмотки НН

3.2 Расчет обмотки ВН

4. Расчет параметров короткого замыкания

4.1 Определение потерь короткого замыкания

4.2 Расчет напряжения короткого замыкания

5. Окончательный расчет магнитной системы

5.1 Определение размеров пакетов и активных сечений стержня и ярма

5.2 Определение массы стержней и ярм и массы стали

5.3 Определение потерь и тока холостого хода

6. Оценка эксплуатационных свойств трансформатора

6.1 Внешние характеристики

6.2 Зависимости

6.3 Зависимости

6.4 Параллельная работа двух трансформаторов одинаковой мощности при разных коэффициентах трансформации

6.5 Параллельная работа двух трансформаторов разных мощностей

Заключение

Литература

Введение

трансформатор магнитный система замыкание

Основными элементами силовых трансформаторов являются: магнитопровод, обмотки, изоляция, бак, расширитель и высоковольтные вводы. Другие части - это элементы системы охлаждения, устройства регулирования напряжения, а также защитные и измерительные устройства.

Магнитопровод является магнитной системой силового трансформатора и служит конструктивным основанием для установки и крепления обмоток, отводов от обмоток и других деталей (рис. 1.2). Магнитопровод выполняется из электротехнической стали.

Обмотки являются частью электрической цепи и состоят из обмоточного провода (медного или алюминиевого) и изоляционных деталей. К обмоткам также относят вводные концы обмоток, ответвления для регулирования напряжения и регулировочную обмотку, емкостные кольца и электростатические экраны емкостной защиты от перенапряжений.

В трансформаторах с масляным охлаждением магнитопровод с обмотками помещают в бак с трансформаторным маслом (рис. 1.3). Омывая обмотки и магнитопровод, трансформаторное масло отбирает от них тепло и, обладая большей теплопроводностью, чем воздух, через стенки радиатора отдает ее в окружающую среду.

1. Определение основных электрических величин

1.1 Определение линейных, фазных токов и напряжений обмоток ВН и НН

Расчетная мощность одной фазы трансформатора:

;

где - число фаз трансформатора.

Расчетная мощность трансформатора на один стержень:

;

где - число стержней трансформатора. Как правило, для масляных трехфазных силовых трансформаторов:

Рассчитывается номинальный ток обмотки ВН:

;

Рассчитывается номинальный ток обмотки НН:

;

Выбирается схема и группа соединения обмоток трансформатора . Выбранная схема предусмотрена Государственным стандартом и предназначена для трехфазных двухобмоточных трансформаторов. Принимается материал обмоток - медь.

Определяется значение номинального фазного тока обмотки ВН (при соединении обмоток в треугольник):

;

Определяется значение номинального фазного тока обмотки НН (при соединении обмоток в звезду):

;

Определяется фазное напряжение обмоток высокого напряжения (при соединении обмоток в треугольник):

;

Определяется фазное напряжение обмоток низкого напряжения (при соединении обмоток в звезду):

;

1.2 Определение активной и реактивной составляющих напряжения короткого замыкания

Активная составляющая напряжения короткого замыкания:

;

Реактивная составляющей напряжения короткого замыкания:

;

1.3 Определение испытательных напряжений обмоток, изоляционных расстояний

По табл. 5.8 [1], предварительно выбирается тип обмоток:

- обмотка ВН при напряжении 10кВ и токе 8,33А - цилиндрическая многослойная из круглого медного провода;

- обмотка НН при напряжении 0,69кВ и токе 209,2А - цилиндрическая двухслойная из медного прямоугольного провода.

Испытательные напряжения различных обмоток выбираются по [1], табл.4.1, в прямой зависимости от класса изоляции, а также рабочего напряжения обмоток:

- обмотки высокого напряжения.

Обмотки трансформаторов с рабочим напряжением до 1кВ имеют .

По [1], табл.4.4, табл. 4.5 в соответствии с испытательными напряжениями обмоток, находятся значения изоляционных расстояний:

обмотка ВН

; ; ; ; .

обмотка НН

; ; .

Рисунок 1.2 Изоляционные расстояния

Ширина приведенного канала рассеяния:

;

где - изоляционный промежуток между обмотками ВН и НН, который определяется величиной испытательного напряжения;

- приведенная ширина двух обмоток, которая может быть приближенно определена по формуле:



где - коэффициент для масляных трансформаторов с ПБВ, который определяется по [1], табл. 3.3.

2. Расчет основных параметров трансформатора

2.1 Выбор схемы, конструкции и технологии изготовления магнитной системы

Магнитная система представляет собой комплект пластин из электротехнической стали, собранных в определенной геометрической форме.

Согласно рекомендациям § 2.3 [1] выбирается трехфазная стержневая шихтованная магнитная система со ступенчатой формой поперечного сечения стержня с косыми стыками на крайних стержнях и прямыми стыками на среднем стержне (рис. 2.1), имеющая существенно проще технологию заготовки пластин и сборки магнитной системы при несколько более высоких потерях и токе холостого хода, чем в системе с шестью косыми стыками.

Система охлаждения - омывание маслом наружных поверхностей стержней. Материал магнитной системы - холоднокатанная текстурованная рулонная электротехническая сталь марки 3404 толщиной 0,3мм.

Рисунок 2.1 План шихтовки магнитной системы

Магнитные системы трансформаторов, мощностью до 630кВА собираются с укладкой пластин внутрь обмоток, уложенных на специальном стенде. После завершения шихтовки и стяжки ярм балками, обмотки оказываются размещенными на остове трансформатора.

2.2 Расчет основных коэффициентов

Параметры и коэффициенты, используемые при расчете магнитной системы, для наглядности выполняются в виде блоков.

Параметры и коэффициенты, относящиеся к стержню:

3404 - марка электротехнической стали;

- толщина стали;

- коэффициент заполнения круга (табл. 8.2 [1]);

- коэффициент заполнения сталью (табл. 2.2 [1]);

- коэффициент приведения;

- коэффициент добавочных потерь (табл. 3.6 [1]);

- общий коэффициент заполнения сталью площади круга;

- предварительное значение диаметра стержня (табл. 2.5 [1]);

- коэффициент увеличения потерь в углах магнитной системы при прямых и косых стыках (табл. 8.13 [1]);

- коэффициент добавочных потерь из-за неравномерного распределения индукции и механических воздействий на сталь (табл. 8.14 [1]);

- число косых стыков в магнитной системе (рис. 2.2);

- число прямых стыков в магнитной системе (рис. 2.2).

- предварительное рекомендуемое значение индукции в стержнях трансформатора (табл. 2.4 [1]);

- удельные потери в стали (табл. 8.10 [1]);

- намагничивающая мощность в стали (табл. 8.17 [1]);

- значение индукции в косом стыке;

- значение индукции в прямом стыке;

- намагничивающая мощность в зоне косого стыка (табл. 8.17 [1]);

- намагничивающая мощность в зоне прямого стыка (табл. 8.17 [1]);

- коэффициент, зависящий от удельного сопротивления и плотности материала обмотки (стр. 130 [1]);

Параметры и коэффициенты, относящиеся к ярму:

- число ступеней ярма;

- коэффициент усиления ярма (табл. 2.8 [1]);

- коэффициент учета отжига пластин (стр. 396 [1]);

- коэффициент для трансформаторов мощностью до 250кВА;

- коэффициент, учитывающий перешихтовку верхнего ярма при мощности трансформатора до 250кВА (стр. 394 [1]);

- коэффициент увеличения намагничивающей мощности (табл. 8.21 [1]);

- коэффициент, учитывающий различное число стыков с прямыми и косыми стыками (табл. 8.20 [1]);

- предварительное значение индукции в ярме;

- удельные потери в стали (табл. 8.10 [1]);

- намагничивающая мощность в стали (табл. 8.17 [1]);

- коэффициент, зависящий от отношения и материала обмотки (табл. 3.4 [1]);

- коэффициент, зависящий от отношения и материала обмотки (табл. 3.5 [1]);

- коэффициент для ярма с многоступенчатой формой поперечного сечения для трансформаторов, мощностью до 630кВА (стр. 126 [1]);

По определенным справочным и расчетным данным находятся основные коэффициенты для расчета параметров трансформатора по следующим формулам:

;

;

;

где - коэффициент для меди.

- коэффициент для медных обмоток;

где - коэффициент кратности тока короткого замыкания.

;

В современных экономических условиях определяющими факторами оптимизации трансформаторов являются снижение относительной массы, уменьшение габаритов, затрат материалов и повышение энергетических показателей. Определение основных размеров трансформатора проведем по ускоренному методу.

Принимается стандартное значение диаметра стержня (табл. 2.5 [1]) - .

;

;

;

Значение находится в рекомендуемых пределах ([1] табл. 3.12).

Масса стержней магнитной системы:

;

Масса ярм магнитной системы:

;

Масса магнитной системы:

;

Масса одного угла магнитной системы:

;

Активное сечение стержня:

;

Площадь зазора:

- на прямом стыке ;

- при косом стыке ;

Для выбранной магнитной системы потери холостого хода:

Расчетное значение потерь холостого хода меньше заданного, что удовлетворяет техническим требованиям, предъявляемым к трансформаторам.

Намагничивающая мощность:



Ток холостого хода:

;

Расчетное значение тока холостого хода меньше заданного, что удовлетворяет техническим требованиям, предъявляемым к трансформаторам.

Масса метала обмоток:

;

Плотность тока:

;

Механические напряжения на разрыв в обмотках:

;

Средний диаметр обмоток:

;

Высота обмоток:

;

Предварительная высота стержня:

;

где

Расстояние между стержнями:

;

ВЫВОД. В качестве материала магнитной системы выбрана сталь марки 3404, толщиной 0,3мм, выбраны обмотки из алюминиевого провода, произведен расчет основных размеров трансформатора. Предварительные расчетные значения потерь и тока холостого хода удовлетворяют техническим требованиям, предъявляемым к трансформаторам.

3. Расчет обмоток трансформатора

3.1 Расчет обмотки низкого напряжения (НН)

ЭДС (электродвижущая сила) одного витка:

Число витков в обмотке НН:

;

Принимается значение .

Вычисляется уточнённое значение ЭДС одного витка:

;

Определяется уточнённая индукция в стержне:

;

где - уточненное значение электродвижущей силы одного витка.

Средняя плотность тока:

Ориентировочное сечение витка обмотки:

;

Определив значения средней плотности тока и сечение витка, выбирается тип обмоток низкого напряжения (по [1] табл. 5.8).

В качестве обмотки НН выбирается цилиндрическая двухслойная обмотка из медного прямоугольного провода.

Число витков в слое двухслойной обмотки:

;

Предварительное значение осевого размера витка:

;

Исходя из рассчитанных значений и , из стандартного сортамента обмоточных медных проводов для трансформаторов (по [1] табл. 5.2), подбираются провода, удовлетворяющие следующие требования:

- максимальное число параллельных проводов, образующих виток равно шести;

- все провода сечения имеют одинаковый размер поперечного сечения;

- при намотке на ребро должно выполняться условие: .

Размеры провода можно записать в форме:

Выбирается провод марки .

Причем

, .

где - толщина изоляции на две стороны (по [1] табл. 5.2).

Определяется полное сечение витка:

;

где - сечение одного провода, мм².

Уточняется плотность тока:

;



Рисунок 3.1 Сечение витка обмотки

Радиальный размер обмотки:

;

Окончательный осевой размер обмотки НН:

;

где - высота одного витка.

Принимается высота обмотки .

Внутренний диаметр обмотки НН:

;

Наружный диаметр обмотки НН:

;

Рисунок 3.2 Сечение обмотки НН

Полная поверхность охлаждения обмотки НН рассчитывается по формуле:

где с=3 - число активных стержней;

- коэффициент который учитывает величину закрытия поверхности обмотки рейками, а также другими изоляционными деталями.

Масса металла обмотки низкого напряжения (НН):

Электрические потери в обмотке НН:

;

В приведенных формулах: - для медного провода; - сечение витка, м²; - диаметры обмоток, м.

Обычно добавочные потери в обмотках учитываются через коэффициенты добавочных потерь Kg. Коэффициент добавочных потерь Kg зависит от геометрических размеров проводников обмоток и их расположения по отношению к полю рассеяния трансформатора:

- для обмотки из прямоугольного медного провода:

n - число проводников обмотки в направлении, перпендикулярном к направлению потека рассеяны (рис.4.1.);

m- число проводников обмотки в направлении, параллельном потоку рассеяния (рис.4.1.);

Kp - коэффициент приведения поля рассеяния колеблется от 0,93 до 0,98 и обычно принимается равным 0,95.

Плотность теплового потока на поверхности обмотки НН:

;

ВЫВОД. Окончательно выбрана конструкция обмотки НН. В качестве обмотки НН выбрана двухслойная обмотка из медного прямоугольного провода, сечением витка 62,1мм², вычислены внутренние и наружные диаметры обмотки.

Тепловое состояние спроектированной обмотоки находится в пределах нормы. Расчетная величина плотности теплового потока равна 650Вт/м², и не превышает предельно допустимого значения в 1200Вт/м², значит обмотка спроектирована верно.

3.2 Расчет обмотки высокого напряжения (ВН)

При расчете и выборе обмотки ВН учитывается необходимость в выполнении отпаек для регулирования напряжения.

Рисунок 3.3 Схема обмотки ВН для регулирования напряжения ПБВ

Определяется количество витков обмотки ВН при средней ступени номинального напряжения:

;

Определяется количество витков для регулирования напряжения при четырех ответвлениях :

;

;

Обычно ступени регулирования напряжения делаются равными между собой, чем обусловливается также и равенство числа и витков на ступенях. В этом случае число витков обмотки на ответвлениях равно:

При четырех ступенях:

- на верхней второй ступени - .

- на верхней первой ступени - .

- при номинальном напряжении - .

- на нижней первой ступени - .

- на нижней второй ступени - .

Напряжение на ступенях регулирования:

Определяется предварительная расчетная плотность тока в обмотке ВН:

;

Предварительно рассчитывается сечение витков обмотки ВН:

;

Определив предварительное значения плотности тока и сечение витка, выбирается тип обмоток высокого напряжения (по [1] табл. 5.8).

Для дальнейшего проектирования выбираются цилиндрические обмотки из круглого провода.

По расчитаному предварительному сечению из стандартного сортамента медного обмоточного провода для трансформаторов (по [1] табл. 5.1) подбирается провод диаметром без изоляции, и диаметром в изоляции, , где толщина изоляции на две стороны.

Выбирается провод марки .

Полное сечение витка:

Уточняется плотность тока обмотки в обмотке ВН:

;

Определяется количество витков в слое:

;

Обмотка ВН для удобства крепления, обычно выполняется одинаковой высоты с обмоткой НН, т.е. .

Определяется количество слоев в обмотке:

;

Расчетную величину требуется округлить до ближайшего большего целого числа. При этом количество витков в наружном слое может отличаться от количества витков предыдущих слоев: .

Определяется рабочее напряжение между первыми витками двух соседних слоев:

;

По рабочему напряжению между витками двух слоев (по [1] табл. 4.7) определяется:

- толщина межслойной изоляции ;

- выступ изоляции за высоту обмотки - 16мм.

Для улучшения охлаждения обмотка делится на две катушки с маслянным каналом между ними.

Определяется радиальный размер обмотки высокого напряжения катушек с маслянным каналом между ними:

где - ширина масляного канала.

Рисунок 3.3 Сечение обмотки высокого напряжения

Вычисляется диаметр обмотки (внутренний):

;

Вычисляется диаметр обмотки (наружный):

;

Определяется минимальный интервал между осями стержней:

;

Принимается расстояние между осями стержней .

Поверхность охлаждения (две катушки с маслянным каналом между ними):

Масса металла обмотки высокого напряжения (ВН):

Электрические потери в обмотке ВН:

;

В приведенных формулах: - для медного провода; - сечение витка, м²; - диаметры обмоток, м.

Обычно добавочные потери в обмотках учитываются через коэффициенты добавочных потерь Kg. Коэффициент добавочных потерь Kg зависит от геометрических размеров проводников обмоток и их расположения по отношению к полю рассеяния трансформатора:

- для обмотки из круглого медного провода

n - число проводников обмотки в направлении, перпендикулярном к направлению потека рассеяны (рис.4.1.);

m- число проводников обмотки в направлении, параллельном потоку рассеяния (рис.4.1.);

Kp - коэффициент приведения поля рассеяния колеблется от 0,93 до 0,98 и обычно принимается равным 0,95.

Плотность теплового потока на поверхности обмотки ВН:

;

ВЫВОД. Окончательно выбрана конструкция обмотки ВН. В качестве обмотки ВН выбрана многослойная обмотка из круглого медного провода, сечением витка 2,545мм², вычислены внутренние и наружные диаметры обмотки.

Тепловое состояние спроектированной обмотоки находится в пределах нормы. Расчетная величина плотности теплового потока равна 645Вт/м², и не превышает предельно допустимого значения в 1200Вт/м², значит обмотка спроектирована верно.

4. Расчет параметров короткого замыкания

4.1 Определение потерь короткого замыкания

Потери короткого замыкания в трансформаторе состоят из электрических потерь в обмотках, из добавочных потерь в обмотках и отводах, а так же из потерь в стенках бака и других металлических элементах конструкции, вызванных потоком рассеяния обмоток и отводов.

Полные потери короткого замыкания готового трансформатора не должны, отклонятся более чем на 5% от гарантийного значения, заданного ГОСТом или заданием на проект.

Рисунок 4.1 Расположение элементарных проводников в радиальном и осевом направлениях

Принимая сечение отвода равным сечению витка обмотки и общую длину проводов для соединения в звезду и в треугольник , массу металла проводов отводов можно найти по формуле:

где г - плотность металла отводов (для меди 8900 кг/м³).

Электрические потери в отводах:

Поля рассеяния обмоток и отводов частично замыкаются через стенки бака, а также через стальные детали - прессующие балки ярма, стяжные шпильки и т.д.

Потери в стенках бака и других стальных деталях трансформатора:

где - коэффициент, который определяется по табл. 7.1 [1]; - номинальная мощность трансформатора.

Таким образом, потери короткого замыкания:

Погрешность величины относительно заданного значения:

ВЫВОД. При расчете потерь короткого замыкания погрешность расчета не выходит за пределы установленные ГОСТ 11677-85. Погрешность расчета не превышает рекомендуемый предел ±5%.

Потерями короткого замыкания двухобмоточного трансформатора называются потери, возникающие в трансформаторе при номинальной частоте и установлении в одной из обмоток тока, соответствующего его номинальной мощности, при замкнутой накоротко второй обмотке. Предполагается равенство номинальных мощностей обеих обмоток.

4.2 Расчет напряжения короткого замыкания

После расчета полных потерь короткого замыкания уточняют напряжение короткого замыкания. Согласно ГОСТ 11677-85 отклонение напряжения короткого замыкания при расчете трансформатора допускается не более чем на 5% от заданного значения.

Активная составляющая напряжения короткого замыкания:

где - рассчитанные потери короткого замыкания; - номинальная мощность трансформатора.

Средний диаметр канала между обмотками:

Ширина приведенного канала рассеяния:

Коэффициент, учитывающий отклонение реального поля рассеяния от идеального вследствие конечной высоты обмоток:

;

где коэффициент

где - длина обмоток.

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:

где - коэффициент, учитывающий взаимное расположение обмоток.

;

Полное напряжение короткого замыкания:

Погрешность величины относительно заданного значения:

ВЫВОД. При расчете потерь короткого замыкания погрешность расчета не выходит за пределы установленные задание на проект.

Напряжением короткого замыкания двухобмоточного трансформатора называется приведенное к расчетной температуре напряжение, которое следует подвести при номинальной частоте к зажимам одной из обмоток при замкнутой накоротко другой обмотке, чтобы в обеих обмотках установились номинальные токи. При этом переключатель должен находиться в положении, соответствующем номинальному напряжению.

Напряжение короткого замыкания определяет падение напряжения в трансформаторе, его внешнюю характеристику и ток короткого замыкания. Оно учитывается также при подборе трансформатора для параллельной работы.

5. Окончательный расчет магнитной системы

5.1 Определение размеров пакетов и активных сечений стержня и ярма

Магнитная система собирается из пластин холоднокатаной анизотропной стали марки 3404 с толщиной листа 0,30мм, ГОСТ 21427.1-83.

Сечение стержня состоит из 7 ступеней. В ярме пять ступеней. Сечение ярма повторяет сечение стержня. Два последних пакета объединены в один.

Площадь поперечного сечения стержня или ярма определяется суммированием площадей всех пакетов стали, соответствующего сечения, определяемых произведением размеров пакета .

Активное сечение стержня:

;

где - площадь сечения стержня, определяемая по [1] табл. 8.6;

Активное сечение ярма:

;

где - площадь сечения ярма, определяемая по [1] табл. 8.6.

Длина стержня трансформатора:

где - расстояние от обмотки до верхнего и нижнего ярма.



Рисунок 5.1 Магнитная система трансформатора

5.2 Определение массы стержней и ярм и массы стали

Масса стали в стержнях и ярмах магнитной системы может определяться различными способами в зависимости от ее конструкции и принятой формы поперечного сечения ярма. При этом удобно ввести понятие массы угла магнитной системы. Углом магнитной системы называется ее часть, ограниченная объемом, образованным пересечением листов стержня.

Масса стали угла магнитной системы:

где - объем угла магнитной системы, определяемый по [1] табл. 8.6;

- плотность трансформаторной стали.

Масса стали двух ярм трехфазного трансформатора:

где - расстояние между осями стержней.

Масса стали стержней:

где - ширина первого пакета стали ярма, равная [1] табл. 8.3.

Полная масса магнитной системы трансформатора:

5.3 Определение потерь и тока холостого хода

После определения фактического сечения стержней и ярм уточняется значение индукции:

;

;

Потери холостого хода в магнитопроводе стержневого типа:

где - коэффициент увеличения потерь в углах магнитной системы при прямых и косых стыках ([1] табл. 8.13);

- коэффициент, учитывающий влияние тех процесса резки;

- коэффициент, учитывающий удаление заусенцев;

- коэффициент, учитывающий форму сечения ярма;

- коэффициент, учитывающий влияние прессовки;

- коэффициент, учитывающий перешихтовку верхнего ярма остова при установке обмоток;

Удельные потери в стали стержней и ярмя определяются по [1] табл. 8.10 в зависимости от значений индукций в стержне и ярме для стали марки 3404 толщиной 0,3мм при шихтовке в одну пластину.

При - ; .

При - ; .

При - .

Для прямых стыков площадь зазора в стыке равна площади сечения в стержне и индукция равная индукции в стержне:

;

Погрешность:

Активная составляющая тока холостого хода:

;

Полная намагничивающая мощность:

де - коэффициент учитывающий количество углов с косыми и прямыми стыками в магнитной системе ([1] табл. 8.20);

- коэффициент, учитывающий влияние тех процесса резки рулона на пластины;

- коэффициент, учитывающий удаление заусенцев;

- коэффициент, учитывающий форму сечения ярма;

- коэффициент, учитывающий влияние прессовки;

- коэффициент, учитывающий перешихтовку верхнего ярма остова при установке обмоток;

- коэффициент, учитывающий ширину пластин в углах магнитной системы.

При - ; .

При - ; .

При - .

Реактивная составляющая тока холостого хода:

;

Полный фазный ток холостого хода:

;

Погрешность:

ВЫВОД. При расчете тока холостого хода погрешность расчета не выходит за рекомендуемый предел 15%.

Ток холостого хода завит от мощности силового трансформатора, чем меньше номинальная мощность трансформатора, тем относительная величина тока холостого хода больше, а абсолютное значение тока холостого хода всегда намного меньше рабочего тока трансформатора.

Ток холостого хода создает магнитный поток в магнитопроводе трансформатора и называется намагничивающим током.

В режиме холостого хода трансформатор не передает электрическую энергию в цепь потребителя, так как вторичная обмотка его разомкнута, поэтому ток, протекающий по первичной обмотке при холостом ходе трансформатора, называется током холостого хода.

6. Оценка эксплуатационных свойств трансформатора

6.1 Внешние характеристики

Зависимости рассчитываются при питании обмотки ВН понижающего трансформатора номинальным напряжением номинальной частоты при изменении величины симметричной нагрузки и заданном значении, при активно-индуктивной нагрузке , при активно-емкостной - .

При коэффициенте нагрузки трансформатора (работа при номинальной нагрузке):

- для активно-индуктивной нагрузки изменение напряжения трансформатора:

где - расчетные значения активной и реактивной составляющих напряжения короткого замыкания.

при

Фазное напряжение обмотки НН:

;

- для активно-емкостной нагрузки изменение напряжения трансформатора:

при ;

Фазное напряжение обмотки НН:

;

Результаты расчета внешних характеристик трансформатора, при изменении коэффициента нагрузки в диапазоне значений для обоих характеров нагрузки приведены в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Результаты расчетов внешних характеристик трансформатора

Коэффициент нагрузки	0	0,25	0,5	0,75	1,0	1,25
Активно-индуктивная		0	1,003	2,007	3,01	4,013	5,016
		100	98,997	97,993	96,99	95,987	94,984
Активно-емкостная		0	-0,357	-0,714	-1,071	-1,428	-1,786
		100	100,357	100,714	101,071	101,428	101,786

По результатам расчетов строятся внешние характеристики трансформатора (рис. 6.1).



Рисунок 6.1 Внешние характеристики трансформатора

ВЫВОД. Изменение вторичного напряжения ДU зависит от величины нагрузки и от характера этой нагрузки. Отрицательные значения ДU при работе трансформатора с емкостной нагрузкой соответствуют повышению напряжения с увеличением коэффициента нагрузки. Наибольшее изменение вторичного напряжения ДU=4,006% соответствует активно-индуктивной нагрузке и коэффициенту нагрузки , т.к. длительная перегрузка трансформатора недопустима.

6.2 Зависимости

Зависимости отклонения напряжения на клеммах вторичной обмотки от характера симметричной нагрузки рассчитываются при питании трансформатора со стороны обмотки ВН номинальным напряжением номинальной частоты. Трансформатор работает при симметричной нагрузке неизменной величины. Расчет ведется для двух заданных значений коэффициента нагрузки .

При коэффициенте нагрузки трансформатора :

- при угле

- при угле

Результаты расчетов сводятся в табл. 6.2.

Таблица 4.2

Результаты расчета зависимостей

	-90	-75	-60	-45	-30	-15	0
	-2,098	-1,838	-1,453	-0,969	-0,419	0,159	0,727
	-4,195	-3,676	-2,906	-1,983	-0,838	0,319	1,454
	90	75	60	45	30	15	0
	2,098	2,214	2,18	1,997	1,678	1,245	0,727
	4,195	4,428	4,36	3,994	3,357	2,49	1,454

По результатам расчетов строятся зависимости в одних осях координат (рис. 6.2).



Рисунок 6.2 Зависимости

ВЫВОДЫ. При зависимости соответствуют смешанной активно-индуктивной нагрузке, а при - активно-емкостной. При активно-индуктивной нагрузке вторичное напряжение трансформатора падает, а в случае активно-емкостной нагрузки (при ) оно повышается.

6.3 Зависимости

Зависимости коэффициента полезного действия от величины симметричной нагрузки рассчитывается при питании трансформатора со стороны обмотки ВН номинальным напряжением номинальной частоты, при заданном коэффициенте мощности () активно-индуктивного и активно-емкостного характера нагрузки.

Трансформатор работает с максимальным коэффициентом полезного действия при коэффициенте нагрузки:

 ;

Коэффициент полезного действия:

Максимальное значение коэффициента полезного действия при .

- при активно-индуктивной нагрузке ():

- при активно-емкостной нагрузке ():

Результаты расчета зависимостей при изменении коэффициента нагрузки в диапазоне значений для обоих характеров нагрузки приведены в табл. 6.3.

Таблица 6.3

Результаты расчетов зависимостей

Коэффициент нагрузки	0	0,25	0,5	0,75	1,0	1,25
Активно-индуктивн.		0	0,755	0,755	0,755	0,755	0,755	0,755
		0	0,227	0,909	2,045	3,636	5,681	0,756
		0	43,75	87,5	131,25	175	218,75	79,8
		0	0,978	0,981	0,979	0,976	0,971	0,981
Активно-емкостн.		0	0,755	0,755	0,755	0,755	0,755	0,755
		0	0,227	0,909	2,045	3,636	5,681	0,756
		0	50	100	150	200	250	91,2
		0	0,981	0,984	0,82	0,979	0,975	0,984

Рисунок 6.3 Зависимости

ВЫВОД. Коэффициент полезного действия трансформатора зависит от величины и от характера нагрузки. Чем больше активная составляющая нагрузки, тем больше коэффициент полезного действия. Максимальное значение коэффициента полезного действия соответствует коэффициенту нагрузки .

6.4 Параллельная работа двух трансформаторов одинаковой мощности при разных коэффициентах трансформации

Нагруженность уравнительным током двух трансформаторов одинаковой мощности при параллельной работе оценивается при заданном характере нагрузки () для двух случаев: когда один из трансформаторов включен на ответвление обмотки ВН, соответствующее номинальному коэффициенту трансформации, а другой - поочередно на два из остальных четырех ответвлений: +2,5 и +5 %, т.е. коэффициенты трансформации будут отличаться на +2,5 и +5 %.

Коэффициент трансформации первого трансформатора равен отношению числа витков обмотки высокого напряжения к числу витков обмотки низкого напряжения:

Тогда если , то и .

Расчет параметров схемы короткого замыкания:

- полное сопротивление короткого замыкания

;

- активное сопротивление короткого замыкания

;

- индуктивное сопротивление короткого замыкания

;

Фазовый угол уравнительного тока относительно :

Угол нагрузки .

При параллельной работе двух трансформаторов одинаковой мощности, когда второй трансформатор включен на ответвление +2,5%, уравнительный ток равен:

При параллельной работе двухтрансформаторов одинаковой мощности, когда второй трансформатор включен на ответвление +5,0%, уравнительный ток равен:

;

Уравнительный ток дополнительно нагружает трансформатор с меньшим коэффициентом трансформации, а трансформатор с большим коэффициентом трансформации разгружает:

Определяется мера влияния уравнительного тока на трансформаторы по следующим выражениям:

ВЫВОД. Степень нагруженности позволяет обосновать уменьшение нагрузки трансформатора на 0,010 о.е. при различии коэффициентов трансформации на 2,5% и на 0,019 о.е. - при различии коэффициентов трансформации на 5%, для того, чтобы первый трансформатор работал в продолжительном режиме при номинальной нагрузке.

6.5 Параллельная работа двух трансформаторов разных мощностей

Допустимую нагрузку трансформатора при параллельной работе с другим трансформатором предельно допустимой большей мощности рассчитаем при заданном характере нагрузки (). ГОСТом допускается включать на параллельную работу трансформаторы, отличающиеся по номинальной мощности не более чем в 3 раза. Тогда номинальные мощности трансформаторов , ; - табличное значение напряжения короткого замыкания трансформатора предельной мощности. Если , то при повышении нагрузки трансформатор с наименьшим напряжением короткого замыкания первым достигнет номинальной мощности. Нагрузка каждого из параллельно работающих трансформаторов:

;

;

;

;

ВЫВОД. Наибольшее значение из позволяет обосновать уменьшение суммарной нагрузки трансформаторов на конкретную величину для исключения перегрузки самого нагруженного трансформатора, возможности его работы в продолжительном режиме при номинальной нагрузке.

Заключение

В ходе выполнения курсовой работы были получены следующие основные размеры трансформатора:

- диаметр стержня ;

- высота обмоток ;

- расстояние между стержнями трансформатора ;

- средний диаметр канала между обмотками ;

- ширина приведенного канала рассеяния ;

Отклонение полученных величин от заданных:

- мощность короткого замыкания - 1,73% - -

- напряжение короткого замыкания - 1,33% - -

- мощность потерь холостого хода - 2,03% - -

- ток холостого хода - 0,26% - - .

В качестве материала магнитной системы выбрана холоднокатанная анизотропная сталь 3404, с толщиной листов 0,3мм, достоинством которой является значительное уменьшение магнитных потоков рассеяния и высокая индукция насыщения.

В качестве обмотки НН выбрана цилиндрическая двухслойная обмотка из прямоугольного медного провода. Ее основными достоинствами являются простая технология изготовления и хорошее охлаждение.

Недостатки: малая механическая прочность.

В качестве обмотки ВН выбрана многослойная цилиндрическая обмотка из круглого медного провода. Ее основными достоинствами являются высокая технологичность и хорошее заполнение окна магнитопровода.

Недостатки: низкая теплоотдача.

Список использованных источников

1. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов. М., "Энергия", 2015.

2. Сапожников А.В. Конструирование трансформаторов. К., Госэнергоиздат, 1959.

3. ГОСТ 11677-85. ТРАНСФОРМАТОРЫ СИЛОВЫЕ. Общие технические условия.

4. ГОСТ 12022-66. Трансформаторы трехфазные силовые масляные общего назначения мощностью от 25 до 630 кВ·А на напряжение до 35 кВ включительно. Технические условия.

Размещено на Allbest.ru