Расчёт трёхфазного силового трансформатора

Курсовой Трансформаторы Стребков(преобразованный).docx

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
Факультет автоматики и электромеханики
Кафедра электромеханических систем и электроснабжения
по дисциплине «Проектирование электромеханических преобразователей энергии»
Тема «Расчёт трёхфазного силового трансформатора»
Расчетно-пояснительная записка
группа подпись дата инициалы фамилия
Руководитель К.Е. Кононенко
подпись дата инициалы фамилия
Нормоконтролер К.Е. Кононенко
подпись дата инициалы фамилия
Замечания руководителя
Оглавление_Toc214099508
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН7
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ТРАНСФОРМАТОРА7
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕСА АКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ13
РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК14
ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРА19
Электромашиностроение начало развиваться с середины XIX в. Исследование электромагнитных полей проведённые в то время учёными позволили преступить к созданию моделей для практического применения.
Выдающиеся значение имели работы французского физика А. Ампера английского физика М. Фарадея и русских учёных Э. Ленца Б. Якоби и М. О. Доливо-Добровольского работы которого дали мощный толчок использованию переменного тока. К началу XX в. стали вполне очевидными достоинства и широкие возможности использования в народном хозяйстве электрической энергии.
Электрическая энергия имеет ряд преимуществ перед другими формами энергии. Она легко преобразуется в механическую световую химическую и другие формы энергии экономично передается на большие расстояния распределяется между любым числом приемников энергии различной мощности.
Процесс производства и передачи электроэнергии является столь динамичным и постоянно подверженным случайным возмущающим воздействиям что без автоматического управления его функционирование невозможно. На современном этапе автоматическое управление производится отдельными электроэнергетическими объектами и их взаимодействующими совокупностями. Управление процессом производства и передачи электроэнергии в целом пока еще осуществимо лишь при некотором оперативном вмешательстве человека-диспетчера электроэнергетической системы (ЭЭС). Такое управление называется автоматизированным. Оно реализуется автоматизированной системой диспетчерского управления (АСДУ) важнейшей частью которой является управляющий вычислительный комплекс (УВК) расположенный на диспетчерском пункте (ДП) электроэнергетической системы.
Обычно электрические станции строятся вблизи естественных источников энергии а потребители электроэнергии находятся за сотни и даже тысячи километров. Для уменьшения потерь энергии в проводах напряжения в линиях электропередачи обычно повышают до сотен кВ (110 220 500 750 и 1150 кВ). На электростанциях электроэнергия вырабатывается при кВ. Номинальное напряжение большинства потребителей В. Мощные электродвигатели работают при напряжении 3 и 6 кВ. Поэтому в начале и конце линии электропередачи устанавливаются трансформаторы.
Трансформатор – это статический электромагнитный аппарат служащий для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого при неизменной частоте.
Принцип работы трансформатора основан на законе электромагнитной индукции. Конструктивно трансформатор состоит их двух или нескольких обмоток связанных электромагнитно. Для усиления магнитной связи между обмотками трансформатора их располагают на стальном сердечнике.
Силовые трансформаторы – это трансформаторы которые используются в автоматизированных системах передачи и распределения электроэнергии.
Силовой трансформатор является одним из важнейших элементов каждой электрической сети. Передача электрической энергии на большие расстояния от места её производства до места потребления требует в современных сетях не менее чем 5-6 кратной трансформации в повышающих и понижающих трансформаторах.
Необходимость распределения энергии по разным радиальным направлениям между многими мелкими потребителями приводит к значительному увеличению числа отдельных трансформаторов по сравнению с числом генераторов. При этом суммарная мощность трансформаторов в сети на каждой следующей ступени с более низким напряжением в целях более свободного маневрирования энергией выбирается обычно большей чем мощность предыдущей ступени более высокого напряжения. Вследствие этих причин общая мощность всех трансформаторов установленных в сети в настоящее время превышает общую генераторную мощность в 7-8 раз.
Определяя место силового трансформатора в электрической сети следует отметить что по мере удаления от электростанции единичные мощности трансформаторов уменьшаются а удельный расход материалов на изготовление трансформатора и потери отнесённые к единице мощности а также цена 1кВт потерь возрастают. Поэтому значительная часть материалов расходуемых на все силовые трансформаторы вкладывается в наиболее отдалённые части сети.
Силовой трансформатор является одним из важнейших элементов современной электрической сети и дальнейшее развитие трансформаторостроения определяется в первую очередь развитием электрических сетей а следовательно энергетики страны.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Мощность одной фазы и одного стержня кВА
В соответствии с заданием имеем трехфазный трансформатор стержневого типа с концентрическими обмотками.
Фазные напряжения и токи
Активная и реактивные составляющие напряжения КЗ %
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ТРАНСФОРМАТОРА
Выбор плотности тока в обмотках
Так как материалом обмоток является алюминий то для нее плотность тока следует выбирать в пределах 1-2 Амм2.
Определение диаметра стержня
Формула (8) является эмпирической и даёт неплохое начальное приближение.
Принимаем d = 0.34 м число ступеней 8.
Рисунок 1-Эскиз магнитопровода трансформатора
Задаем величину магнитной индукции в стержне
Расчет числа витков обмотки НН
– определяем по эскизу ступенчатого стержня. (Рис. 1)
-коэффициент заполнения
Расчет числа витков обмотки ВН
Определение коэффициента трансформации и уточнение числа витков обмотки ВН
Проверим коэффициент трансформации по отношению фазных напряжений
Величины получились настолько близкие что пересчитывать число витков нет необходимости.
Определение регулировочных витков обмотки ВН
В соответствии с заданием обмотка ВН должна позволять ступенчато регулировать витки выше номинального значения и ниже его. Сделать соответствующую отпайку для регулирования витков вниз от номинала можно всегда а для того чтобы увеличить количество витков их нужно дополнительно зарезервировать (предусмотреть) в обмотке ВН. Соответствующие расчеты сведем в таблице 13.
Площадь поперечного сечения одного витка обмотки ВН
Имея провод такого сечения обмотку следует изготавливать в два параллельных провода. Далее необходимо выбрать стандартное значение обмоточного провода. Принимаем стандартное значение площади поперечного сечения провода обмотки НН равным 52.27 мм2 тогда мм2.
Площадь поперечного сечения витка обмотки НН
Имея провод такого сечения обмотку следует изготавливать в восемнадцать параллельных проводов. Далее необходимо выбрать стандартное значение обмоточного провода. Принимаем стандартное значение площади поперечного сечения провода обмотки НН равным 67.92 мм2 тогда мм2.
Коэффициент заполнения окна трансформатора обмоточным алюминием (без изоляции)
По графику показанному на рисунке 2 определяем = 0.29; = 0.36.
Рисунок 2 – Коэффициенты заполнения обмоток медью (алюминием) в зависимости от номинальной мощности проектируемого трансформатора
Площадь поперечного сечения обмотки НН
Площадь поперечного сечения обмотки ВН (с учетом + 5 % регулировочных витков)
Расчет размеров главной изоляции окна трансформатора (в соответствии с рисунком 3)
Выпишем главные изоляционные промежутки для нашего случая: см (с учетом емкостных и прессующих колец); см; см; см; см.
В расчете принято так как в изоляционном промежутке учитываются дополнительные изоляционные конструкции которые соответственно усложняют технологию сборки и повышаю стоимость трансформатора
Для расчетов целесообразно принимать следующие соотношение главных изоляционных промежутков
Рисунок 3 – Главные изоляционные промежутки между обмотками и магнитопроводом в окне трансформатора и размеры поперечного сечения обмоток
Примем предварительно отношение высоты обмотки НН к ее ширине равным В этом случае . После чего находим:
Высота стержня равна
Расстояние между соседними стержнями (ширина окна трансформатора)
Рисунок 4- Эскиз окна трансформатора и размеры поперечного сечения обмоток.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕСА АКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Средняя длина витка обмотки НН
Средняя длина витка обмотки ВН
где γ = 2.7 кгдм3 – удельный вес алюминия.
Общая масса обмоточного алюминия
Масса стержней магнитопровода
где γс = 7.65 кгдм3 – удельный вес электротехнической стали.
Масса верхнего и нижнего ярма
где длина ярма а площадь поперечного сечения ярма в данном случае принята 1.15 от площади поперечного сечения стержня.
Масса участков сопряжения стержней и ярм магнитопровода
Общий вес стали магнитопровода
РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК
Расчет потерь холостого хода Вт
где и – соответственно удельные потери в 1 кг стали стержня и ярма при соответствующих значениях величины магнитной индукции в них.
Данная величина получилась на 2.27 % больше чем в задании. Эту величину следует признать удовлетворительной так как погрешность не превышает допустимой.
Расчет реактивной составляющей тока холостого хода %
где и – удельные намагничивающие мощности для стержня и ярма соответственно ВАкг;
– удельные намагничивающие мощности на один стык ВАм2;
– площадь стыков ( ) м2;
– количество стыков в трехфазном трансформаторе можно считать равным семи (в мощных трансформаторах при составных пластинах магнитопровода количество стыков может быть больше);
Расчет активной составляющей тока холостого хода %
Расчет тока холостого хода %
Данная величина получилась больше чем в задании на 0875 % что допустимо так как погрешность не превышает допустимой.
Расчет потерь КЗ в обмотках Вт
Расчет потерь в отводах Вт
Расчет потерь в стенках бака можно провести так: (Вт)
= 83406.955 + 1832.858 + 4500 = 89739.813 Вт.
Данная величина получилась больше чем в задании на 5.575 % что вполне допустимо так как погрешность не превышает допустимой.
Потери короткого замыкания в трансформаторе могут быть разделены на следующие составляющие:
) основные потери в обмотках НН и ВН вызванные рабочим током обмоток;
) добавочные потери в обмотках НН и ВН т. е. потери от токов наведенных полем рассеяния в обмотках и создающих неравномерное распределение тока по сечению проводов;
) основные потери в отводах между обмотками и вводами (проходными изоляторами) трансформатора;
) добавочные потери в отводах вызванные полем рассеяния отводов;
) потери в стенках бака и других металлических элементах конструкции трансформатора вызванные полем рассеяния обмоток и отводов.
Но при инженерных расчетах как правило учитываются наиболее весомые из этих составляющих.
Расчет активной составляющей напряжения КЗ %
Расчет реактивной составляющей напряжения КЗ %
– приведенный канал рассеяния определяемый выражением
– коэффициент Роговского равный
– средний диаметр изоляционного канала между обмотками как и остальные линейные размеры выражается в м;
Расчет напряжения КЗ %
Данная величина получилась больше той что оговорена заданием однако погрешность равна 007 % что меньше допустимой погрешности 5 % в данном случае.
Напряжение короткого замыкания должно совпадать с регламентированным ГОСТ или заданным в технических условиях (задании) на проект трансформатора. Согласно ГОСТ 11677-75 напряжение короткого замыкания готового трансформатора может отличаться от гарантийного значения не более чем на ±10%. При изготовлении трансформатора вследствие возможных отклонений в размерах обмоток (в частности в размерах и ) лежащих в пределах нормальных производственных допусков готового трансформатора может отличаться от расчетной величины на ±5%. Для того чтобы отклонение у готового трансформатора не выходило за допустимый предел ( ±10% гарантийной величины) рекомендуется при расчете трансформатора не допускать отклонений в расчетном значении напряжения короткого замыкания более чем ±5% гарантийного значения .
В тех случаях когда полученное значение отклоняется более чем на ±5% от заданного изменение в нужном направлении лучше всего вести за счет изменения его реактивной составляющей. Небольших изменений можно достигнуть изменяя (за счет изменения ) или . Более резкое изменение достигается изменением ЭДС одного витка и числа витков которое может быть достигнуто путем увеличения или уменьшения диаметра стержня или индукции в нем.
Расчет данных к построению внешней характеристики
Поскольку внешняя характеристика является по сути прямой линией то для ее построения достаточно определить две точки. Расчет следует вести для двух значений коэффициента мощности 0.8 и 1.0. Начальная точка внешней характеристики (холостой ход) будет общей для обеих характеристик: при холостом ходу величина напряжения равна 100 %.
Рассчитаем изменение напряжения под нагрузкой при по известной формуле
Для большей наглядности эти две линейные зависимости следует построить на общем графике. (рис. 5)
Рисунок 5-Зависимость от величины нагрузки при различных коеффициентах мощности.
Расчет кривой КПД в зависимости от нагрузки
Результаты расчетов кривых КПД в зависимости от коэффициента нагрузки приведем в таблице 2 для двух значений коэффициента мощности 1 и 0.8.
Рассчитанные зависимости КПД следует представить на графике. Учитывая то обстоятельство что форма этих характеристик и их вид подобны приведем только зависимость с коэффициентом мощности равным 0.8 как наиболее характерной величиной для практики эксплуатации трансформаторов. Такая характеристика приведена на рисунке 6.
Рисунок 6 – Зависимость КПД рассчитываемого трансформатора от величины нагрузки при коэффициенте мощности 08 (индуктивный)
ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРА
Определение геометрических размеров бака
Общая высота магнитопровода трансформатора
Внешний диаметр обмотки ВН
4 + 2(40 + 106.395 + 60 + 138.72) = 1.03 м.
Общая длина магнитопровода трансформатора с обмотками
Габаритные размеры активной части трансформатора
В соответствии с таблицей 3 высота бака равна
Минимальное расстояние от
ярма до крышки бака мм
Расстояние от обмотки ВН до стенки бака с широкой стороны в соответствии с рекомендациями
см 367535 = 15.8 см.
Расстояние от обмотки ВН до округленной части бака
Длина бака = 3.211 + 0.158 = 3.369 м.
Ширина бака = 1.03 + 0.158 2 = 1.346 м.
Площадь боковой поверхности бака
(периметр бака) (48)
26((3.369-1.346)2 + 1.346) = 26.975 м2.
Площадь поверхности верхней крышки
При определении площади охлаждения радиаторов подходит размер А = 3000 мм (так как высота бака 3260 мм). На нашем баке можно разместить до 10 радиаторов что было проверено на предварительном эскизе системы охлаждения. Выбираем количество радиаторов () равное 6.
Общая площадь поверхности охлаждения в этом случае равна
6.7 + 26.975 + 0.754.146 = 190.285 м2.
Удельные потери в трансформаторе
Средний перегрев масла
Отношение центров высот для определения поправки по таблице 4
Центр потерь = 1.395 м.
Центр бака 2 = 1.63 м.
Отношение 1.3951.63 = 0.856. Для этой величины поправка приблизительно равна 9.3 С.
Максимальная температура верхних слоев масла
Полученная величина меньше допустимой 60С поэтому расчет считаем оконченным.
В данном курсовом проекте был спроектирован трёхфазный силовой трансформатор со следующими номинальными данными:
Номинальная мощность
Номинальные напряжения обмоток
Напряжение короткого замыкания
Потери короткого замыкания
Потери холостого хода
Все величины отличающиеся от оговорённых в задании не превышают допустимых погрешностей.
Общая масса трансформатора составляет около 11500 кг.
В процессе выполнения сборочного чертежа высота бака была увеличена на 18 см в результате габаритные размеры трансформатора:
89×2923×4388 м (Высота × Ширина× Длинна).
Анализ теплового расчёта показал что перегрев машины находится в приделах нормы.
На этапах проектирования использованы эмпирические формулы и графически определяемые коэффициенты следовательно расчёты имеют не высокую точность.
Кононенко А. В. Тонн Д.А. Проектирование силовых трансформаторов для автоматизированных систем электроснабжения: Учебное пособие.- Воронеж.: Издательство «Научная книга» 2006.
Копылов И. П. Электрические машины: учебник для вузов. – М.: Высшая школа; Логос 2000.
Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов: учеб. пособие для вузов. – М.: Энергоатомиздат 1986.
Костенко М. П. Пиотровский Л. М. Электрические машины. Часть 1 2. – Л.: Энергия 1972 – 1973.
Вольдек А. И. Электрические машины: учебник для вузов. – Л.: Энергия1974.

окно тр-ра.frw

Трансформатор готовый.cdw

Техническая характеристика
Номинальная мощность S
Номинальные напряжения U
Напряжение короткого замыкания u
Ток холостого хода i
Потери короткого замыкания p
Потери холостого хода p
Материал обмоток - медь.
Схема и группа соединения обмоток
Технические требования
Переключение регулирующих витков обмотки ВВ
производить только после отключения обмоток ВВ
Рекомендованный уровень масла в пределах
Трехфазный трансформатор

ступенчатость0.dwg.frw