Розрахунок і конструювання силових трансформаторів

 

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

 

 

 

 

               Кафедра «Електромеханіки і теоретичних основ електротехніки»

 

 

 

 

Курсовий проект

Тема: «Розрахунок і  конструювання силових трансформаторів»

 

Пояснювальна записка  до курсового проекту

З дисципліни « Електричні машини»

КП 09.0603-03-393.146. ЕО

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Виконав студент групи ЕСЕ 09-а ____________ Куруч Д.Г.

Перевірив проф.             ____________ Апухтін О.С

Нормоконтролер                   ____________ Апухтін О.С

 

 

 

Донецьк 2012

РЕФЕРАТ

 

Пояснювальна записка до курсового проекту:  44 с., 12 рис.,    

3 джерела, 1 додаток.

 

Мета роботи – сконструювати  і розрахувати трифазний двохобмотковий трансформатор з наперед заданими даними.

Об’єктом розрахунку і конструювання  є трифазний двохобмотковий трансформатор повної потужності Sн=1000кВА, номінальна напруга обмоток нижчої напруги U1н=0,4 кВ, номінальною напругою обмоток вищої напруги U2н=10кВ.

Визначено основні розміри трансформатору з плоскою магнітною системою стрижневого типу (стрижень d=0,24 м), виконаної із холоднокатаної сталі марки M4X. Зроблено вибір і розрахунок обмоток низької напруги – циліндрична багатошарова із прямокутного дроту марки АПБ перерізом 74,1 мм _, та високої напруги –циліндрична багатошарова з прямокутного дроту марки АПБ, переріз витка 29,6 мм .

Визначені характеристики Uк=5,738%, Рк=11960 Вт, значення температури обмотки високої напруги та обмотки низької напруги не перевищує 65 С, вага конструкційних матеріалів трансформатора 4812,365 кг.

 

 

 

ТРАНСФОРМАТОР, НАПРУГА, ОБМОТКА, ХАРАКТЕРИСТИКИ, КОНСТРУКЦІЙНІ МАТЕРІАЛИ, ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНА  СТАЛЬ, СТРУМ, МАГНІТОПРОВОД, АЛЮМІНІЙ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗМІСТ

       Перелік умовних  позначок і скорочень ……………………….……….............4 

Вступ …………………………………………………………………..………….5

  1. Розрахунок основних електричних  величин.....………………………......6

  2. Розрахунок основних розмірів  трансформатора.……………………........7

  3. Вибір конструкції і розрахунок  обмоток………………………………….10      

3.1. Розрахунок обмоток НН……………………………………………………10

       3.2. Розрахунок  обмоток ВН ...……………………………………………14

  4. Визначення характеристик  короткого замикання…………………..........18 

       4.1. Втрати короткого  замикання....………………………………………18

       4.2. Напруга короткого  замикання………………………………………...20

       4.3. Механічні  сили в обмотках…………………………………………....20

  5. Розрахунок магнітної системи  трансформатора……………………..........23

       5.1 Визначення розмірів магнитопровода…………………………………23

       5.2. Визначення  втрат неробочого ходу……………………………….......26

       5.3. Визначення  струму неробочого ходу………………………………….27

  6. Тепловий розрахунок трансформатора……………………………………..28

       6.1. Тепловий розрахунок обмоток…………………………………….......28

      6.2. Тепловий розрахунок  бака....……………………………………………30

      6.3. Розрахунок перевищень  температури обмоток і олії 

                трансформатора....……………………………………………….........34

  7. Визначення маси конструкційних матеріалів і олії………...………..........35

  8. Зведені дані розрахунку трансформатора…………………………………..37

Висновки…………………………………………………………………………..38

Перелік використаних джерел………………………………….…………..........39

Додаток А...………………………………………………………………….........40

Паспорт…………………………………………………………………………….42

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧОК ТА СКОРОЧЕНЬ

 

ОВН – обмотка високої  напруги;

ОНН – обмотка низької  напруги;

Sф – потужність однієї обмотки на одному стрижні;

U1н – номінальна напруга ОНН;

U2н – номінальна напруга ОВН;

т – кількість фаз;

с – кількість активних стрижнів;

h’в – орієнтовна висота витка;

- кількість елементарних дротів;

h - висота провідника без ізоляції;

а,в – розміри дроту  без ізоляції;

a’,в’ – розміри дроту з ізоляцією;

- густина струму;

а11 – радіальний розмір каналу;

W – число витків;

НН – низька напруга;

ВН – висока напруга;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВСТУП

У народному господарстві використовуються трансформатори різного  призначення в діапазоні потужностей від часток вольт - ампера до 1 млн. кВ^.А і більш. Трансформатором називається статичний електромагнітний пристрій, що має дві чи більш індуктивно зв'язані обмотки і призначений для перетворення за допомогою електромагнітної індукції однієї чи кілька систем змінного струму в одну чи кілька інших систем змінного струму.

Призначення силових трансформаторів  – перетворення електричній енергії  в електричних мережах і установках, призначених для прийому і  використання електричної енергії. Силові трансформатори підрозділяються на два види. Трансформатори загального призначення призначені для включення в мережу, що не відрізняється особливими умовами роботи, чи для живлення приймачів електричної енергії, що не відрізняються особливими умовами роботи, характером роботи, режимом роботи. Трансформатори спеціального призначення призначені для безпосереднього живлення споживчої мережі приймачів електричної енергії, якщо ця мережа приймачів відрізняється особливими умовами роботи, характером чи навантаженим режимом роботи. До числа таких  мереж приймачів електричної енергії відносяться підземні рудничні мережі й установки, випрямні установки, електричні печі і т.п.

Коефіцієнт корисної дії трансформаторів  дуже великий і для більшості  їх складає 98-99% і більше, однак необхідність багаторазової трансформації енергії й установки в мережі трансформаторів із загальною потужністю, у кілька разів перевищуючої потужність генераторів, приводить до того, що загальні втрати енергії у всьому парку трансформаторів досягають істотних значень. Тому однієї з найважливіших задач у даний час є задача істотного зменшення втрат енергії в трансформаторах, тобто втрат холостого ходу і втрат короткого замикання.

Зменшення втрат холостого ходу досягається, головним чином, шляхом усе більш широкого застосування холоднокатаної рулонної електротехнічної сталі з поліпшеними магнітними властивостями – низькими й особливо низькими питомими втратами і низкою питомою потужністю, що намагнічує.

Нові конструкції магнітних  систем характеризуються застосуванням косих стиків пластин у кутах системи, стяжкою стрижнів і ярем кільцевими бандажами замість наскрізних шпильок у старих конструкціях і багатоступінчастій формі перетину ярма в плоских магнітних системах.

Метою даної курсової роботи є проектування силового трансформатора з заздалегідь заданими параметрами. У вихідні дані входять: потужність трансформатора – S = 1000 кВА,  висока напруга – U₂ = 10000 В, низька напруга – U₁ = 400 В,  втрати холостого ходу – Р_О = 2,45 кВт,  втрати короткого замикання – Р_К = 12,2 кВт, напруга короткого замикання – U_К = 5,5%, струм холостого ходу – I_О = 1,4%.

Проект виконувався згідно навчального посібника і рекомендованої літератури.

1 РОЗРАХУНОК СНОВНИХ ЕЛЕКТРИЧНИХ  ВЕЛИЧИН

 

1. Потужність однієї обмотки на одному стрижні:

 

S_ф =

,             S^’ = ,

 

де m = 3- кількість фаз, c = 3 кількість  активних  стрижнів.

                                             

 

2. Фазні напруги обмоток низької та високої напруги:

 

U_ф1 = U₁ = 0,4 кВ ,  

 

3. Фазні струми обмоток низької та високої напруги:

 

                                 

4. Передчасне значення активної та реактивної складової напруги короткого замикання, %:

 

Uка =

,               Uкр = _;

 

де Р_кз – витрати короткого замикання Вт;

S_n- повна потужність трансформатора кВА.

 

                            

 

 

 

 

 

 

2. РОЗРАХУНОК ОСНОВНИХ РОЗМІРІВ ТРАНСФОРМАТОРА

 

 

Виконую ескіз активної частини трансформатора по [I, рис. 2.1] та обираю по [I, табл. 2.1 й 2.2] мінімальні ізоляційні відстані між обмотками високої (ВН) та низької напруги (НН), а також між стрижнем та обмоткою НН.

 

Рисунок 2.1 – Основні розміри трансформатора

 

1. Сумарний орієнтовний приведений радіальний розмір обмоток ВН та НН:

  ,

де S_ф- потужність однієї фази;

 к – коефіцієнт,знайдений в залежності від потужноті трансформатора, металу обмоток, напруги обмотки ВН і втрат короткого замикання  [I, табл. 2.3.] к=0,47.

1,25 – Для обмоток з алюмінієвого  проводу значення к, знайдене  з таблиці, помножимо на це  число.

 

м;

2. Попередня ширина приведеного каналу розсіювання трансформатора, м:

  ;

де а₁₂ – розмір каналу між обмотками ВН і НН [I, табл. 2.2.], а₁₂ = 0,03 м.

м.

 

 

 

 

2.3  Коефіцієнт заповнення круга  сталлю:

де К_КР – коефіцієнт відношення площі ступінчатої фігури поперечного перерізу стрижня до площі кола з діаметром d.

К_З – коефіцієнт відношення площі східчастої фігури поперечного перерізу стрижня до площі ступінчатою фігури поперечного перерізу стрижня.

К_кр =0,925[I, табл. 2.5];

 К_з=0,970 [I, табл. 2.4].

 

Рисунок 2.2 – Головна ізоляція обмоток  ВН і НН

 

Попередня величина індукції в стрижнях масляних трансформаторів у відповідності з рекомендаціями [I, с. 18] вибирається по табл. 2.6.

Рекомендовані значення коефіцієнта b, який зв’язує  середню довжину окружності каналу розсіювання між обмотками трансформатора й висоту обмотки, вибираються за табл. 2.7 [I, табл. 2.7]. Для алюмінію при заданій потужності трансформатора рекомендується β = 1,3 – 1,7.

Приймаємо β = 1,4.

Для потужності 1000кВ*А В_с лежить в межах 1,55-1,65Тл, тому попередньо обираємо В_с = 1,55.

 

 

4.  Попередній діаметр стрижня:

 

,

 

де b = 1,4;  f₁ = 50Гц;

В_с = 1,55Тл – рекомендована індукція у стрижнях масляних трансформаторів;  

К_р = 0,95– коефіцієнт приведення досконалого поля розсіювання до реального поля ( коефіцієнт Роговського);

 

 

Остаточний діаметр стрижня  слід вибирати по нормалізованій шкалі  – 

d_н = 0,24 м.

 

5.  Після вибору найближчого діаметра стрижня визначаємо значення b_н, яке відповідає нормалізованому діаметру:

6.  Радіальний розмір обмотки НН а₁ може бути визначений попередньо за формулою:

,

де К₁ – коефіцієнт, який визначається за табл. 2.8[I, табл. 2.8], К₁=1,4 (Для трансформаторів потужністю 1000кВ*А та класом напруги U=10кВ).

 

7. Середній попередній діаметр каналу між обмотками:

 

 м,

 

де     =0,015м – (таблиця 2.1 [I]);

=0,03м – (примітка 1 до таблиці 2.2 [I]).

( див. рисунки 2.1, 2.2  табл. 2.1 й 2.2).

8. Висота обмотки трансформатора:

                                             м

 

9. Активний (чистий) перетин сталі стрижня:

 

10. Визначення ЕРС витка:

 

11. Число витків фази НН й ВН: