Расчёт и проектирование силовых трансформаторов

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального обучения

Восточно-Сибирский Государственный

Технологический Университет

технологии и управления

Кафедра «АЭПП»

Курсовой Проект

по курсу Электромеханика

на тему

Расчет и проектирование силовых трансформаторов

Выполнил:

Павлов И.В.

г. Улан-Удэ

11 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Исходные данные

Основное содержание расчетов:

. Расчет основных электрических величин

2. Выбор и расчет основных размеров трансформатора

. Расчет обмоток трансформатора:

.1 Расчет обмотки НН

3.2 расчет обмотки ВН

4. Расчет магнитной системы трансформатора

. Определение КПД трансформатора

Заключение

Список используемой литературы

ВВЕДЕНИЕ

трансформатор обмотка магнитная

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную), имеющую в общем случае иные характеристики, в частности другое напряжение и другой ток.

Трансформаторы получили широкое распространение прежде всего в связи с необходимостью передачи электрической энергии на большие расстояния.

Напряжение, выбираемое на электростанциях, повышают трансформаторами до 6, 10, 20, 35, 110, 150, 220, 330, 400, 500 и 750 кВ (в зависимости от передаваемой мощности, дальности передачи), а на месте потребления напряжения понижают трансформаторами до необходимой величины. В соответствии с этим трансформаторы, предназначены для повышения напряжения, называют повышающими, а для понижения напряжения - понижающими.

По исходным заданным данным мы произведем расчет и проектирование трехфазного, двухобмоточного понижающего трансформатора напряжением сети 3,0/0,69 кВ.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Вариант № 62:

число фаз: m = 3;

частота сети: f = 50 Гц;

режим работы: продолжительный;

охлаждение: масляное;

установка: наружная;

полная номинальная мощность: S = 160 кВА;

номинальное линейное напряжение: U₁ = 0.69 кВ;

номинальное линейное напряжение: U₂ = 3 кВ;

ток холостого хода %: j₀ = 2,3;

мощность холостого хода: Р_х = 0,52 кВт;

мощность короткого замыкания: Р_к = 2,65 кВт;

напряжение короткого замыкания %: U_к = 4,5;

схема и группа соединения обмоток: Y/Y- 0;

материал обмотки: Al (алюминий)

1. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Мощность одной фазы и одного стержня:

S_Ф= S’ = S/m =160 /3 = 53,33 кВА.

Номинальные линейные токи обмоток НН и ВН:

I_Л1 = = = 133,88 А.

I_Л2 = = =30,79 А.

Фазные токи обмоток НН и ВН:

I_Ф1= I _Л1, при соединении обмоток по схеме Y; I₁ = 133,88А

I_Ф2= I _Л2 , при соединении обмоток по схеме Y; I₂ = 30,79 А

Фазные напряжения обмоток НН и ВН:

U _Ф1 = U _Л1/ , при соединении обмоток по схеме Y;

U _Ф2 = U_Л2 / , при соединении обмоток по схеме Y;

U _Ф1 = 0,69/  = 0,4 кВ.

U _Ф2 = 3 / = 1,73 кВ.

Определяем испытательные напряжения обмоток (U_исп.1 , U_исп.2 ) по номинальным линейным напряжениям (табл. 4.1.).

U_исп.1 = 5 кВ; U_исп.2 = 18 кВ

Определяем предварительный тип обмоток (табл. 5.8.):

НН - цилиндрическая двухслойная из прямоугольного провода.

ВН - цилиндрическая многослойная из круглого провода.

По (табл. 4.6.) определяем тип провода - прямоугольный, марки АПБ с толщиной изоляции 0,45 (0,50) мм на две стороны.

По испытательным напряжениям определяем изоляционные расстояния обмоток НН, ВН с учетом конструктивных требований (табл. 4.4., 4.5., рис. 4.6. [1]).

Минимальные изоляционные расстояния обмотки НН:

= 15 мм - расстояние обмотки НН от ярма;

δ₀₁ = 2 х 0,5 мм - дополнительная изоляция между обмоткой НН и стержнем из картона;

а₀₁ = 4 мм - расстояние между обмоткой НН и стержнем;

Минимальные изоляционные расстояния обмотки ВН:

= 30 мм - расстояние обмотки ВН от ярма;

а₁₂ = 9 мм - расстояние между обмоткой ВН и НН;

δ₁₂ = 3 мм - дополнительная изоляция между обмоткой ВН и НН из картона;

=15 мм - размер выступа цилиндра за высоту обмотки ВН;

а₂₂ = 10 мм - расстояние между обмотками ВН соседних стержней;

Активная составляющая напряжения к.з.:

Реактивная составляющая напряжения к.з.:

U_р == = 4,18 %.

2. ВЫБОР И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ТРАНСФОРМАТОРА

Выбираем трехфазную стержневую шихтованную магнитную систему, с четырьмя косыми стыками на крайних стержнях и прямыми стыками на средних. Прессовка стержней бандажами из стеклоленты, прессовка ярм - стальными балками. Материал магнитной системы - холоднокатаная рулонная электротехническая сталь марки 3404 толщиной 0,35 мм. Изоляция пластин - нагревостойкое изоляционное покрытие.

По таблице 2.2. [1] определяем коэффициент заполнения К_З для рулонной холоднокатаной стали:

принимаем коэффициент заполнения сталью К_З = 0,97

По таблице 2.4. [1] индукция в стержне В_с = 1,55 ÷1,65 Тл.

Принимаем В_с = 1,60 Тл.

По таблице 2.5. [1] определяем число ступеней в сечении стержня современных трехфазных масляных трансформаторов:

при мощности трансформатора 160 кВ·А выбираем 6 ступеней без прессующей пластины;

ориентировочный диаметр стержня d=0,16м;

коэффициент заполнения круга К_кр = 0,913;

Коэффициент заполнения К_с площади круга сталью:

К_с = К_кр К_З = 0,913 0,97 = 0,8856.

По таблице 8.6 определяем коэффициент усиления ярма

К_я ===1,02

индукция в ярме

В_я ===1,56 Тл

индукция в прямом зазоре

В_з=β_с=1,6 Тл

индукция в косом зазоре

В_з^/= =1,13 Тл

По таблице 3.4. а = 1,36 х1,06 =1,44.

По таблице 3.12.[1] определяем коэффициент соотношения между шириной и высотой трансформатора β = 1,1 ÷1,5.

Принимаем β = 1,13

β = .

Средний диаметр канала между обмотками НН и ВН:

d₁₂ = a d = 1,44  0,16 = 0,23 м.

Высота обмотки :

= =  = 0,64 м.

Активное сечение стержня:

П_С = К_С = 0,8856  = 0,0178 м²

3. РАСЧЕТ ОБМОТОК ТРАНСФОРМАТОРА

При расчете обмоток необходимо иметь ввиду, что плотность тока не должна превышать допустимых значений:

для алюминиевых обмоток jА  2,7 А/мм².

.1 РАСЧЕТ ОБМОТКИ НН

Электродвижущая сила одного витка:

U_В = 4,44fП_СВ_С = 4,44 50 0,01781,60 = 6,32 В.

Число витков обмотки:

W₁ =  =  = 64 витка

Принимаем: W₁ = 64 витков

Средняя плотность тока в обмотках для алюминиевых обмоток:

j_ср = 0,463К_д = 0,4630,96  =2,02 А/мм²,

где К_д = 0,96 - коэффициент, учитывающий добавочные потери в обмотках и полных потерь к.з. (табл. 3.6.):

Ориентировочное сечение витка:

П’_В1 = =  = 66,28 мм².

По таблице 5.8 определяем тип обмотки: Цилиндрическая двухслойная из прямоугольного провода

Число витков в одном слое.

W_сл1 =  =  = 32 витков

Принимаем: W_сл1 = 32 витков

Ориентировочный осевой размер витка

h_в1 =  =  = 0,01939 м = 19,39 мм

По полученным данным ориентировочного сечения витка, по сортаменту обмоточного провода по таблице 5.2.[1] подбираем подходящие сечение прямоугольного провода .

Марка провода n_в1

Выбираем провод - АПБ 2

П_в1 = 31,42 = 62,8 мм² -сечение выбранного провода

Расчитываем плотность тока в выбранном проводе:

j₁ = = = 2,132 А/мм².

Расчитываем осевой размер витка

h_в1 = n_в1 в^/ х 10 ^-3

h_в1= 2 х 9,5 х10 ^-3 =0,019 м

Расчитываем осевой размер обмотки

 = h_в1( W_сл+1)+(0,005 ÷ 0,015)

l₁=0,019*(32+1)+ 0.013=0,64 м

Радиальный размер обмотки:

а₁ =(2

а₁= = 0,0131 м.=13мм

Радиальный размер канала выбираем по таблице 9.2а

а₁₁= 5 ÷ 6, принимаем а₁₁= 5 мм

По таблице 4.4 определяем а₀₁=4мм=0,004м

D’₁ = d + 2а₀₁ = 0,16 + 2 0,004 = 0,168 м.

Наружный диаметр обмотки:

D’’₁ = D’₁ + 2а₁ = 0,168 + 2 0,013 = 0,194 м.

Расчитываем средний диаметр обмотки:

D_ср= = = 0,181 м.

Расчитываем массу металла обмотки НН:

G₀₁ =8,47 10³ cD_ср1 W₁ П_в1 = 8,47 10³3 0,181 64 66,210^-6 = 19,486 кг.

Расчитываем массу провода НН:

G_пр1 = 1,02  1,033 × G₀₁ =1,02 1,033×19,486 = 20,532 кг.

где:

,02 - ориентировочное увеличение массы прямоугольного алюминиевого провода марки АПБ в процентах, по таблице 5.5 [1].

,033 - масса изоляции алюминиевого провода марки АПБ

3.2 РАСЧЕТ ОБМОТКИ ВН

Число витков обмотки ВН при номинальном напряжении:

W_2Н = W₁ = 64  = 277 витков.

Напряжение, приходящееся на одну ступень регулирования:

∆U_р = 0,025 U_Л2 = 0,025 3000 = 75 В.

Число витков на одну ступень регулирования при соединении обмотки ВН в звезду:

W_Р = == 6,851 ≈7 витков.

Распределение витков обмотки ВН по ступеням:

Ориентировочная плотность тока:

j’₂ = 2j_ср - j₁ = 2 2,02 - 2,021 = 2,019 А/м²

Ориентировочное сечение витка:

П’_В2 = ==15,25 мм².

Выбираем тип обмотки по таблице 5.8.[1] - цилиндрическая многослойная из круглого провода, рисунок 6.10.

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

Рис. 6.10. [1].

По полученным данным ориентировочного сечения витка, по сортаменту обмоточного провода по таблице 5.1.[1] подбираем подходящие сечение круглого алюминиевого провода .

Марка провода n_в1

Выбираем провод - АПБ 1

Пв₂ = 15,9 мм² - сечение выбранного провода

Расчитываем плотность тока в выбранном проводе:

j₂ = = = 1,936 А/м².

Число витков в одном слое:

W_сл2 = -1 =  

Принимаем: W_сл2 = 126 витков

Число слоев в обмотке

n_сл2 =  =  = 2,17 слоя

Принимаем: n_сл2 = 3 слоя

Обмотку ВН будет состоять из 1 катушки с 3 слоями.

Определяем рабочее напряжение трёх слоев:

U_мсл=3W_cл2×U_в=3×134×6,32=2540,64 В

По рабочему напряжению трёх слоев по таблице 4.7 выбираем 4×0,12 слоев кабельной бумаги на толщину листов, мм. Выступ междуслойной изоляции на торцах обмотки (на одну сторону) - 16 мм.

δ_мсл = 4×0,12=0,48 мм

Радиальный размер обмотки:

а₂ = .

а₂ = = 0,013 м

Внутренний диаметр обмотки:

D’₂ = D’’₁ + 2а₁₂ = 0,194 + 2 0,009 = 0,212м.

Наружный диаметр обмотки:

D’’₂ = D’₂ + 2а₂ = 0,212 + 2 0,013 = 0,239 м.

Расчитываем средний диаметр обмотки:

D_ср2 = = = 0,2255 м.

Расчитываем массу металла обмотки ВН:

G₀₂ =8,47 10³ cD_ср W₂П_в2×10 ^-6

G₀₂ = 8,47 10³3 0,2255 291 15,9 10^-6 = 26,512 кг.

Расчитываем массу провода ВН:

G_пр2 = 1,015 1,033 G_м2 =1,015 26,512= 27,80кг.

,015 - ориентировочное увеличение массы круглого алюминиевого провода марки АПБ в процентах, по таблице 5.1.

,033 -увеличение массы алюминиевого провода по отношению к меди.

Общая масса металла обмоток ВН и НН:

G_м.общ = G₀₁ + G₀₂ = 19,486 + 26,512 = 46 кг.

Общая масса проводов обмоток ВН и НН:

G_пр,общ = G_пр1 + G_пр2 = 20,532 + 27,80 = 48,332 кг.

4. РАСЧЕТ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ ТРАНСФОРМАТОРА

Принимаем конструкцию трехфазной плоскости шихтованной магнитной системы, собираемой из пластин холоднокатаной стали марки 3404, толщиной 0,35мм, рисунок 2.17. б .[1].

Рис. 2.17. б .[1].

Стержни магнитной системы скрепляются бандажами из стеклоленты, ярма прессуются ярмовыми балками.

По таблице 8.2.[1] определяем для стержня диаметром 0,16 м, без прессующей пластины размер пакетов.

n_c = 6 - число ступеней в стержне;

n_я = 5 - число ступеней в ярме;

k_кр = 0,913 - коэффициент заполнения круга;

а_я = 0,085 м - ширина крайнего наружного пакета ярма.

Размеры пакетов (мм):

h_я = 0,155 м - высота ярма (ширина наибольшего пакета стержня);

b_я = 0,074×2 = 0,148 м - ширина ярма (суммарная толщина всех пакетов стержня).

По таблице 8.6.[1] определяем площади сечения стержня П_ф.с. и ярма П_ф.я. и объем угла магнитной системы V_У :

П_ф.с.= 183,5 см²

П_ф.я.= 188,3 см²

V_У = 2470 см³

Активные сечения стержня:

П_С = К_З  П_ф.с. = 0,97183,5= 178 см².

Активные сечения ярма:

П_Я = К_З  П_ф.я. = 0,97188,3 =182,65 см².

Объем стали угла магнитной системы:

V = К_З V_У = 0,972470= 2395,9 см³.

Длина стержня:

 = =м,

где: = 0,03 м определяем по таблице 4.5.[1]).

Расстояние между осями стержней:

С = D₂’’ + а₂₂ = 0,239 + 0,010 = 0,249м.

где: а₂₂ = 10 мм определяем по таблице 4.5.[1]).

Высота активной части:

H_а.ч. =  =  = 1,01 м.

Масса стали угла магнитной системы:

G_У = К_З V_У y_ст = 0,970,0024707650 10^-6 = 18,33 кг,

где: y_ст = 7650 кг/м³ - удельный вес трансформаторной стали.

Масса стали ярм:

G_Я = 2 П_Я 2Сy_ст,

G_Я = 2 0,0188320,2497650= 143,47 кг.

Масса стали стержней:

G_С = сП_Сy_ст+ С(П_С а_1Я y_ст- G_У ) =

= 3 0,01835 0,77650 + 3 (0,01835 0,155 7650 - 18,33)=294,79+10,29=305,08 кг.

Общая масса стали:

G_СТ = G_C+ G_Я = 305,08 + 143,29= 448,55 кг.

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КПД ТРАНСФОРМАТОРА

η = % = % = 98,1%

Заключение

В результате выполнения работы мы научились определять основные расчётные величины трансформаторов.

Список используемой литературы

1.       Тихомиров П.М., Расчёт трансформаторов.М.: Энергоатомиздат, 1986.