Конструктивная разработка электрической машины или трансформатора

Размещено на http://allbest.ru

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Исходные данные

1.Определение основных электрических величин

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

1.2 Определение испытательных напряжений обмоток

1.3 Определение активной и реактивной составляющих напряжения короткого замыкания

2. Расчет основных размеров трансформатора

2.1 Выбор схемы и конструкции сердечника

2.2 Выбор марки и толщины листов стали и типа междулистовой изоляции. Выбор индукции в сердечнике

2.3 Выбор материала обмоток

2.4 Выбор конструкции и определение размеров основных изоляционных промежутков главной изоляции обмоток

2.5 Предварительный расчет трансформатора и выбор коэффициента соотношения основных размеров

2.6 Определение диаметра стержня и высоты обмотки. Предварительный расчет сердечника

3. Расчет обмоток НН и ВН

3.1 Выбор типа обмоток НН и ВН

3.2 Расчет обмотки НН

3.3 Расчет обмотки ВН

4. Определение характеристик короткого замыкания

4.1 Определение потерь короткого замыкания

4.2 Определение напряжения короткого замыкания

4.3 Определение механических сил в обмотках

5. Окончательный расчет магнитной системы. Определение характеристик холостого хода

5.1 Определение размеров пакетов и активных сечений стержня и ярма

5.2 Определение веса стержня и ярм и веса стали

5.3 Определение потерь холостого хода

5.4 Определение тока холостого хода

6. Тепловой расчет и расчет охладительной системы

6.1 Поверочный тепловой расчет обмоток

6.2 Расчет охладительной системы (бака и охладителей)

6.3 Определение превышения температуры обмоток и масла над воздухом

6.4 Определение веса масла и основных размеров расширителя

Список литературы



Введение

Интенсивный рост энергосистем требует значительного повышения мощности и улучшения качества выпускаемых трансформаторов. Поэтому исключительно важное значение имеет вопрос о рациональном проектировании и производстве трансформаторов общего и специального назначения.

Целью данного курсового проекта является изучение основных методов расчета и конструктивной разработки электрической машины или трансформатора. В курсовом проекте производится расчет основных размеров трансформатора, расчет обмоток, определение характеристик холостого хода и короткого замыкания, расчет магнитной системы, а также тепловой расчет и расчет охладительной системы.

напряжение замыкание трансформатор обмотка



Исходные данные

Вариант	Тип трансформатора	Мощность S	Напряжение	Потери мощности	UК	i0	Схема соединения обмоток
			Uвн	Uнн	PК	Р0
		кВА	кВ	КВ	кВт	кВт	%	%
22		16000	110	22	85	18	10,5	0,7	Y/ - 11



1.Определение основных электрических величин

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

Мощность одной фазы трансформатора:

кВА.

Мощность на одном стержне:

кВА.

Номинальные (линейные) токи:

А - на стороне ВН.

А - на стороне НН.

Фазные токи:

А - на стороне ВН.

А - на стороне НН.

Фазные напряжения:



кВ - для обмотки ВН.

кВ - для обмотки НН.

1.2 Определение испытательных напряжений обмоток

Испытанное напряжение трансформатора определяем по табл.4.1.а [2]

Для обмотки ВН (класс напряжения 110 кВ) кВ.

Для обмотки НН (класс напряжения 35 кВ) кВ.

1.3 Определение активной и реактивной составляющих напряжения короткого замыкания

Активная составляющая напряжения короткого замыкания:

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:



2. Расчет основных размеров трансформатора

Рис.1. Схематическое изображение трансформатора и его основных размеров.

2.1 Выбор схемы и конструкции сердечника

Согласно указаниям § 2.3 [2], выбираем трехфазную стержневую шихтованную магнитную систему с косыми стыками.

Сечение стержня по табл.2.5 [2] выбираем с 14 ступенями, без прессующей пластины.

Выбор марки и толщины листов стали и типа межлистовой изоляции. Выбор индукции в сердечнике.

Согласно рекомендациям [2] выбираем марку стали и её параметры. Для изготовления магнитопровода принимаем рулонную холоднокатаную сталь марки 3404 с толщиной листов 0,35 мм с нагревостойким покрытием. Коэффициент заполнения kЗ = 0,96.

Величину индукции принимаем BС = 1,6 Тл.



2.3 Выбор материала обмоток

В качестве материала для обмоток высокого и низкого напряжения принимаем медный обмоточный провод марки ПБ.

2.4 Предварительный расчет трансформатора и выбор коэффициента соотношения основных размеров

Величина определяет соотношение между шириной и высотой трансформатора. По табл.4.1 [1] в соответствии с классом напряжения трансформатора и его мощностью, принимаем .

2.5 Определение диаметра стержня и высоты обмотки. Предварительный расчет сердечника

Первый основной размер трансформатора - диаметр стержня сердечника:

, см

где - коэффициент Роговского,

- частота, Гц

- общий коэффициент заполнения активным сечением стали площади круга .

- приведенная ширина канала рассеяния.

следовательно:



см

Тогда диаметр стержня:

cм.

Затем принимается нормализованный диаметр стержня по шкале нормализованных диаметров.

cм

Второй основной размер трансформатора - средний диаметр канала между обмотками:

, см

где - радиальный размер обмотки НН

- коэффициент, согласно указаниям [1] принимаем

см

Следовательно, диаметр канала между обмотками:

см.

Третий основной размер трансформатора - высота обмотки:

см.

Активное сечение стержня:

см2.

ЭДС одного витка:

В.



3. Расчет обмоток НН и ВН.

3.1 Выбор типа обмоток НН и ВН

Ориентировочное сечение витка каждой обмотки определяется по формуле:

, ммІ

где - средняя плотность тока в обмотках ВН и НН.

, А/ммІ

-коэффициент, учитывающий наличие добавочных потерь, по табл.5.1.[1] выбираем

Тогда А/мм2

Ориентировочные сечения витков:

Для обмотки НН: мм2

Для обмотки ВН: мм2

Для обмотки ВН и НН - многослойную цилиндрическую обмотку из прямоугольного провода.



3.2 Расчет обмотки НН

Число витков на одну фазу обмотки НН определяется:

виток.

Уточненная ЭДС одного витка:

В.

Действительная индукция в стержне:

Тл.

Толщина изоляции на 2 стороны: мм.

Полное сечение витка:

Полученная плотность тока:

А/мм2



Число витков в слое:

витков

Осевой размер обмотки:

см

Радиальный размер 2-х слойной обмотки:

.

Внутренний диаметр обмотки:

см.

Наружный диаметр обмотки:

см.

Площадь поверхности охлаждения:

м2.



3.3 Расчет обмотки ВН

Согласно ГОСТ 401- 41 обмотка ВН силовых масляных трансформаторов - трехфазных 6300-125000 кВА, с регулированием на ±16%, от номинального напряжения ([2]). Схема регулирования приведена на рис.2.

Рис 2. Схема регулирования обмотки ВН

Число витков при номинальном напряжении:

витков.

Обычно ступени регулирования напряжения делаются равными между собой, что обуславливает равенство числа витков на стержнях.

Напряжение между двумя отводами:

кВ.

Число витков на одну ступень регулирования:



витков.

Принимаем число витков на одну ступень витков.

Число витков на верхней ступени:

витков.

Число витков в нижней ступени:

виток.

Плотность тока в обмотке ВН предварительно определяется:

А/мм2.

Сечение витка обмотки ВН предварительно:

мм2.

Полное сечение витка:

мм2.

Плотность тока в обмотке:

А/мм2.

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

см

Число витков в слое:

витков.

Округляем: витков.

Число слоев в обмотке:

слоев.

Округляем: =24 слоев

Толщина междуслойной изоляции согласно таблице 3.6 [1]:

мм.

Радиальный размер обмотки без экрана:

см.

Внутренний диаметр обмотки:

см.

Наружный диаметр обмотки:

см.

Для обмотки, состоящей из двух катушек с осевым каналом между ними, внутренняя катушка намотана непосредственно на цилиндр, - три поверхности охлаждения (коэффициент К = 0,75)(Согласно указаниям пункту 6-3[2]):

м2.



4. Определение характеристик короткого замыкания

4.1 Определение потерь короткого замыкания

а) Определение электрических потерь в обмотках.

Средние диаметры обмоток:

- обмотки НН: см.

- обмотки ВН: см.

Вес провода для обмоток ВН и НН рассчитываем по формуле (для медного провода):

, кг

- обмотка НН:

кг

- обмотка ВН: кг

Электрические потери в обмотках:

- в обмотке НН: Вт.

- в обмотке ВН: Вт.

б) Определение добавочных потерь.

Определение добавочных потерь в обмотках практически сводится к расчёту коэффициента увеличения основных электрических потерь обмотки . Этот коэффициент подсчитывается отдельно для каждой обмотки трансформатора.

Коэффициент добавочных потерь:

Для медного прямоугольного провода при (обмотка НН):

Где n - число проводов обмотки в радиальном направлении;

для цилиндрических обмоток n = nсл =2;

где коэффициент

Следовательно,

Для провода ВН обмотки :

где коэффициент

Следовательно,

в) Определение электрических потерь в отводах.

Длина отводов приближенно определяется:

см.

см.



Вес металла отводов:

Для НН: кг.

Для ВН: кг.

где г = 8,9 кг/дм3 - удельный вес металла отводов (для меди).

Электрические потери в отводах:

Вт.

Вт.

г) Определение потерь в стенках бака и других стальных деталях трансформатора.

Вт

где К - коэффициент, который находится по табл.6.1[1], принимаем

К = 0,03

д) Определение полных потерь короткого замыкания.

Полные потери К. З.:

31240+43550+238.31+44.66+8000

кВт

Определим соотношение полученной и заданной величин мощности к. з.:



4.2 Определение напряжения короткого замыкания

Активная составляющая напряжения короткого замыкания:

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:

, %

где - ширина приведенного канала рассеяния:

Реактивная составляющая:

Напряжение короткого замыкания:

Проверка отклонения полученного значения uK от заданного:



4.3 Определение механических сил в обмотках

Определяем действующее значение установившегося тока короткого замыкания:

Согласно таблице 7.1 [1] принимаю Sk=15000 МВА.

Определяем ударный ток КЗ:

Найдем механические радиальные силы в обмотках:

Напряжение сжатия в проводе обмотки НН:

МПа.

Напряжение на разрыв в наружной обмотке ВН:

МПа.

Осевые силы в обмотках:

НН:

ВН:

Температура обмотки через после возникновения короткого замыкания:

, °С

где - наибольшая продолжительность к. з., в соответствии с указаниями [2], принимаем с.

- начальная температура обмотки, °С

ВН

НН

По табл. 7.6 [2] допустимая температура .



5. Окончательный расчет магнитной системы. Определение характеристик холостого хода

5.1 Определение размеров пакетов и активных сечений стержня и ярма

Принята конструкция трёхфазной плоской шихтованной магнитной системы, собираемой из пластин холоднокатаной стали марки 3404, толщиной 0,35 мм. Стержни магнитной системы скрепляются без прессующей пластины с прессовкой стержня обмоткой без бандажей. Размеры пакетов выбраны по табл. 8.2[1] для стержня диаметром 0,5 м. Число ступеней в сечении стержня 14 в сечении ярма 11.

Размеры пакетов в сечении стержня и ярма по табл. 8.1 [1]:

Рис.3. Ступенчатая форма ярма.

Площадь ступенчатой фигуры сечения стержня по табл.8.5 [1]

ПФС = 1479,2 см2 и ярма ПФЯ = 1500,2 см2 , объем углаVу = 56560см3

Активное сечение стержня:

см2

Активное сечение ярма:

см2

Объем стали угла магнитной системы:

см3

Ширина ярма:

Высота ярма:

5.2 Определение веса стержня и ярм и веса стали

Длина стержня магнитной системы:

см.

Расстояние между осями стержней:

см.

где - расстояние между обмотками стержня, по табл. 4.5. [2], мм

Масса стали угла магнитной системы:

кг.

кг/м3 - плотность трансформаторной стали

Масса частей ярм, заключенных между осями крайних стержней:

кг.

Масса стали в частях ярм в углах:



кг.

Полная масса стали ярм:

кг.

Масса стали стержней магнитной системы:

кг.

Масса стали в местах стыка пакетов стержня и ярма:

кг.

Общая масса стали стержней:

кг.

Общая масса стали плоской магнитной системы:

кг.

5.3 Определение потерь холостого хода

Индукция в стержне:

Тл.



Индукция в ярме:

Тл.

Индукция на косом стыке:

Тл.

Площадь сечения стержня на косом стыке:

см2.

Для плоской магнитной системы с косыми стыками с многоступенчатым ярмом для определения потерь холостого хода применим выражение:

при Тл, Вт/кг, Вт/м2;

при Тл, Вт/кг, Вт/м2;

при Тл, Вт/м2.

Для определения потерь холостого хода применим выражение:

, Вт

где - коэффициент добавочных потерь, по табл. 8.14 [2],

- коэффициент увеличения потерь в углах, по табл. 8.13 [2],

кф - коэффициент, учитывающий число стержней; для трехфазного трансформатора равен 4.

Тогда потери холостого хода:

Погрешность:

5.4 Определение тока холостого хода

По таблице 8.17 [2] находим намагничивающие мощности:

при Тл, ВА/кг, ВА/м2;

при Тл, ВА/кг, ВА/м2;

при Тл, ВА/м2.

Для определения реактивной составляющей определяем полную намагничивающую мощность трансформатора, в соответствии с принятой конструкцией магнитной системы трансформатора может быть определена:

Коэффициенты КТ,Р=1,18 - коэффициент, учитывающий влияние резки полосы рулона на пластины, КТ,З=1,0 - коэффициент, учитывающий влияние срезания заусенцев, КТ,ПЛ=1,25 - коэффициент, учитывающий ширину пластин в углах магнитной системы (табл. 8.21 [2]), КТ,Я=1,0 - коэффициент, учитывающий форму сечения ярма (многоступенчатая), КТ,П=1,05 - коэффициент, учитывающий прессовку магнитной системы (табл. 8.12 [2]), КТ,Ш=1,06 - коэффициент перешихтовки, КТ,У=65,6 (табл. 8.20 [2]), выбираются согласно указаниям §8.3 [2]. Таким образом, намагничивающая мощность:

Ток холостого хода:

Активная составляющая тока холостого хода:

Реактивная составляющая тока холостого хода:

Коэффициент полезного действия трансформатора:



6. Тепловой расчет и расчет охладительной системы

6.1 Поверочный тепловой расчет обмоток

Внутренний перепад температуры:

обмотка НН (прямоугольный провод):

, °С

где - толщина изоляции на одну сторону, см

-теплопроводность изоляции провода, по табл.11.1 [2] Вт/см °С

Полная охлаждаемая поверхность обмотки НН = 13.521 мІ ( п. 3.2]):

- плотность теплового потока на поверхности обмотки:

Вт/мІ

Тогда °С

Для обмотки ВН = 18.704 мІ ( п. 3.3]):

Вт/мІ

°С

Средняя теплопроводность обмотки:

, Вт/см °С

где - средняя условная теплопроводность обмотки без учета междуслойной изоляции:

Вт/см °С

Следовательно Вт/см °С

Средний перепад температуры составляет 2/3 от полного перепада:

°С

°С

Для цилиндрических обмоток из прямоугольного провода перепад на поверхности обмотки:

Для обмотки НН:

°С

Для обмотки ВН:

°С



Рассчитаем среднее превышение температуры обмоток над средней температурой масла:

°С

°С

6.2 Расчет охладительной системы (бака и охладителей)

Рис. 4

По табл.9.4 [2] в соответствии с мощностью трансформатора выбираем бак из гнутых труб с дутьём

Минимальная длина бака трехфазного трансформатора:



см

Принимаем А = 337см при центральном положении активной части трансформатора в баке.

Минимальная ширина бака:

см

Принимаем В = 164,2см

По табл. 9.5 [2] минимальное расстояние от верхнего ярма до крышки бака:

см

Высота выемной части:

см

где n - толщина подкладки под нижнее ярмо, по [1] принимаем n = 5 см

Глубина бака:

см

Принимаем Нб =258 см

Так как из двух обмоток наиболее нагрета обмотка ВН, то среднее превышение температуры масла, омывающего обмотки над температурой воздуха, должно быть не более:



°С

Среднее превышение температуры стенки бака над температурой воздуха будет меньше на величину перепада температуры между маслом и стенкой бака

°С

где °С - по [1]

Полученное значение должно удовлетворять условию:

°С

°С

Так как условие выполняется, то принимаем:

°С

Поверхность излучения бака и крышки в предварительном расчете:

мІ

Поверхность конвекции бака:

мІ

По табл. 9.9 [2] выбираем данные для бака с навесными охладителями:

Рис.4. Трубчатый радиатор с гнутыми трубами.

Рис.5. Схематичное расположение радиаторов на баке.

Количество радиаторов определяем по формуле:

6.3 Определение превышения температуры обмоток и масла над воздухом

Среднее превышение температуры стенки бака над температурой окружающего воздуха:

°С

Среднее превышение температуры масла вблизи стенки бака над температурой стенки бака:

°С

Превышение температуры масла в верхних слоях над температурой окружающего воздуха:

°С

Превышение температуры обмоток над температурой окружающего воздуха:

для НН: °С

для ВН: °С

6.4 Определение веса масла и основных размеров расширителя

Объем бака

м3

Масса проводов:

кг

Объем активной части:

м3

Объем масла в баке:

м3

Масса масла в баке:

кг

Масса масла в трубах:

кг

Общая масса масла:

кг

Длина бака расширителя:

м

Объем расширителя (10 % от общего объема масла):

кг

Требуемый объем бака расширителя:

м3

Площадь сечения бака расширителя:

мІ

Диаметр бака расширителя:

м



Список литературы

Сечин В.И.. Расчет силовых трансформаторов. Учебное пособие.- Хабаровск: ДВГАПС, 1993.

Тихомиров П.М.. Расчет трансформаторов.-М: Энергоатомиздат, 1986.

Размещено на Allbest.ru