Проект трехфазного масляного двухобмоточного трансформатора

Задание на курсовое проектирование

Согласно заданию необходимо спроектировать трехфазный масляный двухобмоточный трансформатор, имеем следующие данные:

В связи с этим применение переменного тока стало все больше привлекать внимание ученых-электротехников, в чем большую роль сыграли русские электротехники того времени, впервые открывшие метод трансформирования переменного тока и показавшие возможность его практического использования.

Первый шаг в получении трансформации сделал в 1877 г. русский ученый П.Н. Яблочков, который построил установку с последовательно соединенными индукционными катушками, вторичные обмотки которых питали им же изобретенные «свечи Яблочкова». Таким образом, индукционные катушки представляли по существу трансформаторы.

Вслед за этим трансформатор был усовершенствован русским изобретателем Н. Ф. Усагиным (1882 г.) и немецким инженером Дери (1885 г.).

Следующим этапом развития применения переменного тока было изобретение русским электротехником М.О. Доливо-Добровольским трехфазной системы переменного тока (1889 г.) и трехфазного трансформатора (1891 г.).

С этого времени благодаря найденным практическим решениям проблем -- трехфазного электродвигателя и трансформирования переменного тока -- начинается бурный рост использования электрической энергии в промышленности. Одновременно с этим стало увеличиваться значение мощности изготовляемых трансформаторов и росло напряжение, получаемое с их помощью.

Трансформаторы сами электрическую энергию не производят, а только ее трансформируют, т. е. изменяют величину электрического напряжения. При этом трансформаторы могут быть повышающими, если они предназначены для повышения напряжения, и понижающими, если они предназначены для понижения напряжения. Но принципиально каждый трансформатор может быть использован либо как повышающий, либо как понижающий в зависимости от его назначения, т. е. он является обратимым аппаратом.

1.Расчет основных электрических величин

1.1 Мощность одной фазы и одного стержня, кВА

1.2 Номинальная линейные токи на сторонах ВН и НН, А

1.3 Фазные токи на сторонах ВН и НН, А

При схеме соединения «звезда» фазные токи равны линейным токам

1.4 Фазные напряжения обмоток ВН и НН при схеме соединения «звезда» равны, В

2.2 Расчет основных размеров трансформаторов

2.2.1 Определяем диаметр стержня, см;

Дo = ,

Ккр - коэффициент канала расстояния, принимаем 0,8 табл. 6.3 «1».

(а1 + а2) / 3 = 0.8 =0,8 ^. 3,98 = 3,18 см

Ар = 0,9 + 3,18 = 4,08 см

3.1.5 Определим число витков в одном слое,

4.1 Определение потерь короткого замыкания

4.1.1 Основные потери обмотки НН, Вт,

Где К - принимаем К = 0,015

Uа = Рк / (10S) =10453,98 / 10 ^. 750 =1,39%

4.2.2 Расчет реактивной составляющей, %,

U_р = 7,92 ^. f ^. S^{| .} ар ^. Кр ^. Кq ^. 10^-3 / U,

Где = Д12 / Но

Д12 = Д^//1 + а12 = 35,9 + 0,9 = 36,8 см

= 3,14 ^. 36,15 / 73,27 = 1,55

а_р - ширина приведенного канала расстояния, см,

а_р = 0,9 + = 11,65 см

К_q - коэффициент учета неравномерного распределения витков по высоте Кq = 1,

Кр - коэффициент, учитывающий отклонения реального поля рассеяния от идеального параллельного,

К_р 1-

= (а12 + а1 + а2) /Но == 0,14

Кр = 1- 0,14 = 0,86

Uр = = 16,13%

4.2.3 Напряжение короткого замыкания, %,

Рис.6 Продольное и поперечное поля в концентрических обмотках: 1и 2- обмотки внутренняя и наружна

U_к = = = 16,13% Или = 358,5 В

4.3 Расчет механических сил в обмотках

4.3.1 Установившейся ток короткого замыкания, А,

I_к.у. = Iном.ВН ^. 100 / Uк == 895,8 А

4.3.2 Мгновенное максимальное значение тока короткого замыкания,А,

i_к.max = 1,44 ^. Kmax ^. Iкy,

где Kmax - коэффициент учитывающий периодическую составляющую тока КЗ.

K_max = 1 + e ^-Ua ^{\ U}p = 1+ e ^- = 0,27

Iк.max = 1,41 ^. 0,27 ^. 895,8 = 341 А

4.3.3 Радиальная сила, Н,

F_p = 0,628(iк.max ^. BH)^2. Кр ^. 10^-6 = 0,628(341 ^. 178)^{2 .} 1,55 ^. 0,86 ^. 10^-6 =

= 3168,45 Н.

4.3.4 Полная осевая сила, Н,

F_ос.д = (Fр ^. ар) / 2Но = = 251,89 Н.

Рис.6 Осевые силы: а- определение hх; приближенное определение lа.р.:

1- обмотка НН; 2- обмотка ВН; 3- стержень; 4- прессующее кольцо; 5- ярмовая балка; 6- стенка бака.

Согласно рис. вторая составляющая осевой силы, равна = 0, т.к. регулировочные витки располагаются по высоте всего наружного слоя.

4.4 Расчет обмоток на магнитную прочность

Рис.6 К определению механических напряжений.

4.4.1 Напряжение на сжатие в проводе обмотке НН, МПа,

сж.р= Fр / 2НН ^. Пв.НН = = 0,24 МПа

или сж.р.д= = 0,008%

4.4.2 Напряжение сжатия на прокладках обмотки НН, МПа

сж.= Fос.д / (n пНН ^. a1 ^. bпНН),

где nп - число прокладок по окружности обмотки;

a1 - радиальный размер обмотки, мм;

bп - ширина прокладки, мм

сж = = 1.48 МПа

или сж.д = = 7,4% допустимого.

4.5 Расчет температуры нагрева обмоток при коротком замыкании

4.5.1 Температура обмотки через tк = 4сек. Возникновения короткого замыкания, ^оС,

V_к.а = (670tк / (12,5 ^. (Uк/ IВН)² - tк)) + Vн,

Где tк - наибольшая продолжительность короткого замыкания,

Vн - начальная температура обмотки, Vн = 90^оС.

Vк.а = + 90 = 96,5⁰С,

Что ниже допустимой температуры для медных обмоток

V_к.а 250⁰С, табл.8.1(1).

4.5.2 Время достижения температуры 250⁰С, с,

t_{к 250} = 2,5 (Uк / ВН)² = 82,96 с.

5. Расчет магнитной системы

5.1 Определение размеров и массы магнитопровода

Выбираем трехфазную конструкцию магнитной системы с косыми стыками на крайних стержнях и прямыми на среднем. Прессовку стержня осуществляем расклиниванием с обмоткой, ярма - ярмовыми балками без бандажей.

5.1.1 Рассчитываем расстояние между осями обмоток, см,

А = Д^//2 + а22 = 93,7 +0,8 = 94,5 см принимаем 95.

По табл. 9.1(1) определяем сечения стержня, ярма и объема угла:

П_ф.с. = 278 см²; Пя = 279 см²; hя =17,5 см; Vу =4,69 дм².

5.1.2 Определим высоту окна, см,

Н = Н_о +h^| о +h^|| о = 73,27+ 2 + (1,5+1,8) = 78,57 cм, принимаем 79.

5.1.3 Масса угла, кг,

М_у =V у ^. ст.^. Кз,

Где V у - объем угла, дм²; Кз - коэффициент заполнения сечения сталью; ст - плотность электротехнической стали, ст = 7850 кг/см²

Му = 4,69 ^. 7,65 ^. 0,96 = 34,44 кг

5.1.4 Масса стержней, кг,

М_с = с ^. Пф.с^. Кз. ^. (Н + hя) ст^. 10^-3 - с^. Му,

Где с - число стержней магнитной системы;

П_ф.с - площадь поперечного сечения стержня, см;

hя - высота ярма.

М_с = 4 ^.278 ^. 0,96 ^.(79 +17,5) ^. 7,65 ^. 10^-3 - 3 ^. 34,44 = 487,73 кг

5.1.5 Масса ярма, кг,

М_я = 4 Пф.я ^. Кз ^. А ^. ст ^. 10^-3 - 4 Му,

Где П_ф.я - площадь поперечного сечения ярма, см²

М_я = 4^. 279 ^. 0,96 ^. 95 ^. 7,65 ^. 10^-3 - 4^. 34,44 = 640,85 кг

5.1.6 Масса стали магнитопровода, кг,

М_ст. = Мс + Мя + 6Му = 487,73 + 640,85 + 6 ^. 34,44 = 1335,22.кг.

5.2 Расчет потерь холостого хода

В_с =1,65 Тл; Вя = Вс ^. Пф.с / Пф.я = = 1,64 Тл

Среднее значение индукции в углах возьмем равным индукции в стержне

В_у = Вс = 1,64 Тл.

Из табл.9.2(1) находим значение удельных потерь и из табл.9.3(1) коэффициент увеличения потерь для углов с прямыми и косыми стыками:

Р_с =1,238 Вт/кг; Ря = 1,260 Вт/кг; Кпр.= 2,61; Кк = 1,59.

5.2.1 Определим потери в магнитопроводе, Вт,

Р_о = К1 (Мсрс + Мяря + Му(Кпрn пр. + Ккn к)),

Где К1 - коэффициент, учитывающий добавочные потери в магнитопроводной системе;

n пр. и n к - числа углов с прямыми и косыми стыками.

Р_о = 1,1(487,73 ^. 1,238 +640,87 ^. 1,26 + 34,44 ^{. .} (2 ^. 2,61 + 4 ^. 1,59))= 2100,33 Вт

Потери получились меньше нормированных ГОСТ 11920-85 на

= -0,8%.

5.3 Расчет тока холостого тока

5.3.1 Средняя индукция в косом стыке, Тл,

В_к.з. = (Вс + Вя) / 2 = = 1,16 Тл

Из табл. 9.2(1) находим значение удельных намагничивающих мощностей стержней, ярм, прямого и косого стыков и из табл. 9.3(1) - коэффициенты увеличения намагничивающей мощности для углов с прямыми и косыми стыками:

q_с = 1,84 Вт/кг; q я = 1,775 Вт/кг; q к.з. =0,298 В^.А/см²; q з.с. = 2,240 В^.А/см²;

qз.я = 2,176 В^.А/см²; К^/пр = 13,4; Кк = 2,48.

5.3.2 Полная намагничивающая мощность, ВА,

Q_x = К2^/ (Мс qс + Мя q я + Му ( n пр Кпр^/ + n кКк^/) + n з.я qз.я ^. Пз.я +n з.с q з.сПз.с + n з.к ^. q к.з.) = 1,65(487,73 ^. 1,84 + 640,85 ^. 1,775 + 34,44^. (2 ^. 13,4 + 4 ^. 2,48) + 2 ^. 2,176 ^. 279 + 2,24 ^. 278 + 4 ^{. . .} 0,298) = 10942,81 В^.А.

i0 = Qх / (10S) = = 1,45%

5.3.4 Относительное значение реактивной составляющей тока холостого хода, %,

i_о,а = Pо / (10S) = = 0,28%

5.3.5 Относительное значение реактивной составляющей тока холостого хода, %,

i = = =14,8%

5.3.6 Коэффициент полезного действия при номинальной нагрузке, %,

= = = 98,3%.

6. Тепловой расчет трансформатора

6.1 Удельная тепловая нагрузка обмотки НН, Вт/м²

q_оНН = (21,4 ^. Iкат. ^. кат. ^{. .} Кд) / (Кзак. ^. Но ^. nпов.),

где Iкат. - ток проходящий через катушку, А;

кат. - число витков в катушке;

Кд - коэффициент учитывающий добавочные потери;

nпов - число теплоотдающих поверхностей

Кзак. - коэффициент закрытия.

К_зак. = 1 -

Кзак. = 1-= 0,84

qоНН = = 2518,245 Вт/м²

6.2 Удельная тепловая нагрузка обмотки ВН, Вт/м²

К_зак. = 1- (2nВ / (Д2^/ +Д2^//)) = 1-(2^. 4 ^. 8/ 3,14(37,7+93,7))= 0,85 Вт/м²

qоВН =21,4 ^. 144,5 ^. 178 ^. 2,8 ^. 2,74/ 0,85 ^. 73,27 ^. 3 = 2260,166 Вт/м²

омНН = 0,159 ^. qоНН^0,7 = 0,159 ^. 2518,24^0,7 = 38,2^оС

омВН = 0,159 ^. qоВН^0,7 = 0,159 ^. 2260,17^0,7 = 35,4^оС.

6.4 Находим ширину бака, см

Вб = Д^//2 +2аоб,

Где Д^//2 - наружный диаметр обмотки;

аоб - изоляционное расстояние от внешней обмотки до стенки бака, принимаем 6см, по табл.10.7 (1),

В_б = 93,7 + 2 ^. 6 = 105,57 см, принимаем 106 см.

6.5 Определим длину бака,см

А_б = 2А + Вб,

Где А - расстояние между осями стержней магнитопровода, см,

А_б = 2 ^. 95 + 106 = 296 см.

6.6 Определим глубину бака, см

Н_б = Н + 2 hя + hя кр ,

Где Н - высота окна, см;

h_я - высота ярма, см;

hя кр - сумма расстояний от магнитопровода до дна и крышки бака, принимаем 20см по табл.10.7 (1)

Н_б = 78,57 + 2 ^. 17,5 +20 = 133,57 см.

6.7 Поверхность гладкого овального бака и крышки, м²

П_б = (2(Аб - Вб) + рВб) = (2(296 - 106) + 3,14 ^. 106) = 9,5 м²

м = 65⁰С -о.м = 65 - 38,2 = 26,8^оС

6.9 Для этого превышения температуры, определяем превышение температуры в верхних слоях масла

мВВ = 1,2 мВ + м , где м - поправка, м = (ац - 0,48) / 0,03,

ац - отношение высоты центра потерь (активной части) высота центра охлаждения бака.

ац = Нn / Нохл. = (Н + hя) /(2Нб - Н о.р - 30) = = 0,75

м = = 9^оС мВВ = 1,2 ^. 26,8 + 9 = 41,2 41^оС

По табл. 10.6 (1) определяем qб = 551Вт/м².

6.10 Потери отводимые с поверхности бака, Вт

Q_б = (Пб + 0,75Пкр.) = 9,5 + 0,75 ^. 2,9 = 11,67 Вт

6.11 Потери отводимые с поверхности радиаторов,Вт

Qр =Ро +Рк - Qб = 210,33 + 10453,98 - 11,67 =10652,64 Вт.

6.12 Необходимая поверхность радиаторов, м²

П_р = Qр / qб = = 23,67 м²

По табл. 10.8 (1) выбираем два радиатора Нр =1295 мм; Нор = 1100 мм;

С тремя рядом труб Пр =13,05 м²; Мр = 148 кг; Мтр = 81 кг.

7. Расчет массы трансформатора

Ма.ч. = 1,2(Мпр + Мст.),

Где М_пр - масса провода, кг

М_пр = 1,06(МмНН + 1,05МмВН + МотвНН + МотвВН) = 1,06( 247,35 + 1,05 ^. 2310,48 + 11,09 ^. 0,23) = 2845,7 кг

Ма.ч. = 1,2(2845,7 + 487,73) = 4000 кг.

7.2 Масса бака с радиаторами, кг

М_б = ст ^. Vб.ст + Мр, Где ст = 7890 кг/м³

Vб.ст =

= Пб + Пкр +Пд = 9,5 + 2,9 + 2,9 = 15,3, где Пкр = 2,9

ст - толщина стали бака, ст = 10 мм

V_б.ст. = 15,3 ^. 0,01 = 0,153

Мб = 7850 ^. 0,153 + 2 ^. 148 = 426,05

7.3 Общая масса масла, кг

М_м = 1,05(0,9(Vб - Vа.ч.) + Мтр ^. 10³ ,

где Vб - объем бака, м³;

V_б = Пд Нб = 2,9 ^. 1,33 = 3,86 м³

V_а.ч - объем активной части, м³

V_а.ч = Ма.ч. / а.ч. = =0,72 м³

Мтр - масса масла в элементах системы охлаждения

М_м = 1,05(0,9(3,86 - 0,72) +2 ^. 0,148) = 3,27 кг

7.4 Масса трансформатора, кг

М_тр = Ма.ч + Мм + Мб = 4000 + 3,27 + 426,05 = 4429,3 кг = 4,429 т

Список используемой литературы

1. Гончарук А.И. Расчет и конструирование трансформаторов, М. Энергоиздат, 1990.

2. Тихомиров П.М Расчет трансформаторов, учебное пособие для ВУЗов, М. Энергоиздат, 1986.

3. Васютский С.Б. Вопросы теории и расчета трансформаторов, Л. Энергия, 1970.

4. Вольдек А.И. Электрические машины, учебник для студентов высших технических учебных заведений, Л. 1966.

5. Дымков А.М. Расчет и конструирование трансформаторов, М. Высшая школа, 1971.