Конструктивная разработка электрической машины или трансформатора
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Исходные
данные
.Определение
основных электрических величин
.1
Определение линейных и фазных токов и напряжений обмоток ВН и НН
.2
Определение испытательных напряжений обмоток
.3
Определение активной и реактивной составляющих напряжения короткого замыкания
.
Расчет основных размеров трансформатора
.1
Выбор схемы и конструкции сердечника
.2
Выбор марки и толщины листов стали и типа междулистовой изоляции. Выбор
индукции в сердечнике
.3
Выбор материала обмоток
.4
Выбор конструкции и определение размеров основных изоляционных промежутков
главной изоляции обмоток
2.5
Предварительный расчет трансформатора и выбор коэффициента соотношения основных
размеров
.6
Определение диаметра стержня и высоты обмотки. Предварительный расчет
сердечника
.
Расчет обмоток НН и ВН
.1
Выбор типа обмоток НН и ВН
.2
Расчет обмотки НН
.3
Расчет обмотки ВН
.
Определение характеристик короткого замыкания
4.1
Определение потерь короткого замыкания
4.2
Определение напряжения короткого замыкания
.3
Определение механических сил в обмотках
5.
Окончательный расчет магнитной системы. Определение характеристик холостого
хода
.1
Определение размеров пакетов и активных сечений стержня и ярма
.2
Определение веса стержня и ярм и веса стали
.3
Определение потерь холостого хода
5.4
Определение тока холостого хода
.
Тепловой расчет и расчет охладительной системы
6.1
Поверочный тепловой расчет обмоток
.2
Расчет охладительной системы (бака и охладителей)
.3
Определение превышения температуры обмоток и масла над воздухом
.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
|
1600011022851810,50,7Y/
- 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.
Фазные напряжения:
кВ - для обмотки ВН.
кВ - для обмотки НН.
.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.
.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.
.1 Выбор типа обмоток НН и ВН
Ориентировочное сечение витка каждой обмотки
определяется по формуле:
, мм²
где - средняя плотность тока в обмотках
ВН и НН.
, А/мм²
-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
.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:
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 γ = 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:
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
.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:
.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
.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 м² ( п. 3.2]):
- плотность теплового потока на
поверхности обмотки:
Вт/м²
Тогда °С
Для обмотки ВН = 18.704 м² ( п. 3.3]):
Вт/м²
°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
.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]
°С
°С
Так как условие выполняется, то
принимаем:
°С
Поверхность излучения бака и крышки
в предварительном расчете:
м²
Поверхность конвекции бака:
м²
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
.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:
м²
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.