Uисп
для ВН, кВ
|
ВН
от ярма l02
,
мм
|
Между
ВН и НН
|
|
|
a12
|
δ12
|
lц2
|
a22
|
δ22
|
|
l 02
|
δш
|
|
|
|
|
|
85
|
80
|
3
|
30
|
6
|
50
|
30
|
3
|
Изоляцию между обмотками ВН и НН осуществляют
жёсткими бумажно- бакелитовыми цилиндрами или мягкими цилиндрами из
электротехнического картона, намотоными при сборке трансформатора. Размеры выступа
цилиндра за высоту обмоток обеспечивает отсутствие разряда по поветхности
цилиндра между обмотками и на стержень. Изоляцию обмоток от ярма усиливают
шайбами и прокладками из электротехнического картона. Между обмотками соседних
стержней устанавливают репегородку из электротехнического картона. Минимальные
изоляционные расстояния принемаю равными l02
= 80 мм = 8 см, а01= а12= 30 мм = 3 см.
3. Выбор конструкции
магнитопровода
Для трёхфазных силовых трансформаторов мощностью
до 100000 кВА наибольшее распространение получила плоская шихтованная
стержневая магнитная система со сборкой впереплёт с 4 косыми и 2 прямыми
стыками.
Рисунок 3.1- Конструкция магнитопровода
Число ступеней стержней выбирается согласно
табл.2.5 [1].
Так как мощность трансформатора составляет
16000кВА, при наличии пресс пластин, принимаю число ступеней-13
Коэффициент усиления ярма берется из табл.2.8
[1].-1,025
Число и ширина охлаждающих каналов в стержнях
выбирается по табл.2.7 [1]. Для трансформатора ТДНС 16000/36,75/6,6
ориентировочный диаметр стержня d=0,48
м, число продольных каналов - 1, ширина продольного канала - 6
мм.,поперечного-10мм.
Коэффициент заполнения
круга, равный отношению площади ступенчатой фигуры стержня к
площади круга
диаметром :
определяется по табл.2.5 [1] - для масляных
трансформаторов. Т.к. мощность трансформатора 16000кВА, выбираю необходимые
данные: ориентировочный диаметр стержня - 0,48 мм; число ступеней - 13;
коэффициент =0,892; наличие
продольных каналов - 1.
Коэффициент заполнения площади ступенчатой
фигуры стержня сталью, т.е. отношение активного сечения стержня к
площади ступенчатой фигуры , определяется по
табл.2.2 [1]. Рекомендуется для рулонной стали с жаростойким покрытием и
однократной лакировкой при толщине листов принять
.
Данному условию удовлетворяет сталь 3404.
Общий коэффициент заполнения сталью площади
круга диаметром рассчитывается по
формуле:
Способ прессовки стержней и ярм определяю по
табл.2.8 [1].В моем случае прессовка стержней осуществляется бандажами из стеклоленты,
а прессовка ярм - балками стянутыми стальными полубандажами.
Согласно рекомендациям для современных
трансформаторов, обычно применяется холоднокатаная (текстурированная) сталь
марок 3404 и 3405 с толщиной листов Индукция
в стержнях выбирается по табл.2.4 [1].
Согласно таблице, индукция B=(1,55-1,65)
Тл, поэтому принимаю B=
1,6 Тл.
4. Определение основных
размеров трансформатора
Под основным размером трансформатора понимают:
диаметр окружности,
в которую вписана ступенчатая фигура стержня, осевой размер (высоту)
обмоток (их среднее значение) и средний диаметр витка двух обмоток .
Рисунок 4.1- Основные размеры трансформатора
Если известны три основных размера, то остальные
размеры, определяющие форму и объем магнитной системы и обмоток, можно найти
исходя из известных изоляционных расстояний между обмотками и от обмоток до
заземленных частей, а также из условий охлаждения обмоток.
Основные размеры трансформатора можно связать с
мощностью, приходящейся на один стержень:
где -
средняя плотность тока в обмотках (действующее значение);
- площадь
поперечного сечения окна, занимаемого обмотками;
- коэффициент
заполнения окна проводами.
Задаваясь значениями ,
и
учитывая заданные соотношения между размерами магнитопровода, можно определить
основные размеры трансформатора. Такой метод определения основных размеров
положен в основу расчета трансформаторов малой мощности (микротрансформаторов),
не предназначенных для параллельной работы с другими трансформаторами.
Основные размеры силового трансформатора могут
быть также связаны с реактивной составляющей напряжения короткого замыкания .
Используя эту связь, можно вывести формулу, связывающую диаметр трансформатора
с его мощностью и значением :
где размеры указаны в метрах, а
Величины, входящие в формулу, можно подразделить
на три группы:
) величины, заданные при расчете, - ;
частота сети ; реактивная
составляющая напряжения короткого замыкания
) величины, выбираемые при расчете, - отношение
длины канала между двумя обмотками к высоте обмоток приведенная
ширина канала рассеяния ; коэффициент
Роговского
Выбор исходных данных сделан
на основе исследования ряда вариантов [1, §3.5]
Для определения предварительных значений и
используются
приближенные методы, затем значения уточняются после расчета обмоток.
Выбор оптимального значения отношения производится
по табл.3.12 [1,с.159].
В моем случае принимаем ;
Вс=1,6Тл; Кс=0,86.
Ширина приведенного канала рассеяния
определяется по приближенной формуле
Значение =0,03
берется из п.2.3. Приведенная ширина двух обмоток определяется по приближенной
формуле
где -
может быть найдено по табл. 3.3 [1, с.121],
Нормализованные значения диаметров указаны [1,
табл. 8.6-8.7.].
Т.е. d(1)=0,45
м. Площади сечения стержня Пф,с =1451,2см2, ярма Пф,я
=1460,2см2 и объем угла Vy
=55860см3 плоской шихтованной магнитной системы с прессующей
пластиной.
Уточняю значение :
Средний размер витка обмоток (средний диаметр
канала рассеяния) определяю предварительно по формуле:
причем и
определены
в пункте 3.2. Радиальный размер ОНН приближенно находим по формуле:
где берем
из пункта 4.3, а значения указаны в [1,
с.164]. К1=1,4
Найденное значение является
предварительным, оно должно быть уточнено после расчета обмотки НН.
Высота обмоток:
Это значение высоты обмоток является
приближенным; оно уточняется после расчета обмотки НН, т.е. после определения
Активное сечение стержня определяется
по формуле
(16)
где -
находится по табл.8.6-8.7 в зависимости от диаметра
При этом магнитная система масляных
трансформаторов принимается без
прессующей пластины [1,c.366].
,
5. Выбор конструкции обмоток
.1 ЭДС витка (предварительно)
Значение берем
из пункта 4.8
.2 Число витков обмотки НН (предварительно)
Округляют значение до
целого числа
Уточняем ЭДС витка:
Номинальное число витков обмотки ВН:
Принимаю .
Средняя плотность тока в проводах обмоток определяется
по формуле
где беру
из задания (все величины в системе СИ);
беру из табл.3.6
[1,c.131].
Значение зависит
от материала проводов (медь, алюминий), а также от расчетной температуры
обмоток: -
для масляных трансформаторов, а начения приведены
в табл.5.1
Таблица5.1
№
п/п
|
Материал
проводов
|
Расчетная
температура, 0С
|
Значение
|
1
|
Медь
|
75
|
0,746
|
Полученные значения необходимо
сверить с данными [1,табл.5.7,с.257], где приведены средние значения плотностей
тока применяемых трансформаторов.
Полученные значения сверяю
с данными [1,табл.5.7,с.257], где приведены средние значения плотностей тока
применяемых трансформаторов. Для масляных трансформаторов мощностью
10000-16000кВА находится в пределах
2,0-3,5МА/м2
5.3
Сечение витка (предварительно)
Число реек беру
согласно данным, приведенным в [1, с.225]. Принимаем .
Выбор типа обмоток производится согласно.
Для приведенных в задании мощностей
ориентировочно выбираю следующие типы обмоток.
Обмотки низшего напряжения:
- многослойная
цилиндрическая из прямоугольного провода;
Обмотки высшего напряжения:
- цилиндрическая
многослойная из прямоугольного провода;
6. Расчет обмоток
трансформатора. Общие положения
Исходными данными для расчета обмоток низшего
(ОНН) и высшего (ОВН) являются значения высоты обмотки ,
сечения витка и число витков
обмотки .
При этом высота обмоток НН и ВН должна быть одинакова а
сечения витков должны быть такие, чтобы плотности тока в проводах отличались от
среднего значения , найденного в п.3,
не более чем на
Размеры проводов расстояние
между охлаждающими каналами по проводам без изоляции (размер )
и ширина каналов должны быть
выбраны так, чтобы тепловая нагрузка (потери
на единицу поверхности охлаждения) не превышали допустимого по условиям нагрева
значения
Для масляных трансформаторов обычно и
в редких случаях [1, с.267].
Размеры проводов и катушек в радиальном
направлении должны быть выбраны так, чтобы коэффициент добавочных потерь характеризующий
увеличение сопротивления обмотки переменному току по сравнению с постоянным
током, не превышал допустимого значения; обычно [1,
с.267]. Кроме того, размеры проводов должны лежать в пределах, указанных в
сортаменте на обмоточные провода [1,табл.5.2 и табл.5.3]. Обмотку НН с П1=244,8
мм2 намотаем 8 жил с параметрами а=2,24 мм, b=16
мм; обмотку ВН с П2=76,27 мм2 намотаем 3 жилы с а=2 мм, b=12,5
мм При этом максимальные размеры прямоугольных проводов не должны превышать: -
для медных проводов. По возможности следует стремиться выбирать из сортамента
провода больших сечений, что упрощает изготовление обмотки.
Расчет обмотки при указанных исходных условиях и
ограничениях имеет целью:
) Выбор проводов обмотки, т.е. определение
осевого и радиального размеров проводов без изоляции и
с изоляцией а также числа
параллельных проводов в витке Подобранные по
сортаменту провода записываются так:
(24)
где -
сечение одного провода;
- для непрерывной
катушечной обмотки и - для винтовой
[4].
ОНН:
ОВН: .
Расстояние между соседними охлаждающими каналами
играет
важную роль при расчете обмоток и имеет следующие значения для обмоток
различного типа:
- для
цилиндрической обмотки из прямоугольного провода;
Между размером и
тепловой нагрузкой имеется связь,
которая может быть выражена формулой:
где -
длина охлаждающего канала, равная высоте обмотки ,
для цилиндрических обмоток или радиальному размеру катушек
- для катушечных и винтовых обмоток;;
- округленное до
большего целого значения число витков в катушке непрерывной катушечной обмотки.
- для винтовых и
катушечных обмоток;
;
- коэффициент
закрытия поверхности, равный .
Принимаем для винтовых, цилиндрических и
катушечных обмоток
Все размерные величины, входящие в приведенные
формулы, выражаются в системе СИ. Значения удельного сопротивления для
проводов из различных материалов представлены в таблице 6.1.
Таблица 6.1 - Значения ,
Ом/м при расчетной температуре
Материал
провода
|
Значения
,
Ом/м при расчетной температуре
|
|
75
0С
|
Медь
|
|
ОВН:
ОНН:
Значения допустимых расстояний между каналами представлены
на графиках [1, рис.5.38, с.262].
Получаю:
Для (НН) - b=5
мм;
Для (ВН) - b=5
Коэффициент добавочных потерь, обусловленных
полем рассеяния, определяется по формуле:
где -
радиальный размер прямоугольного провода;
- коэффициент, зависящий
от материала обмотки, температуры и формы провода.
Под понимается
число проводов в катушке, уложенных в радиальном направлении (перпендикулярно
линиям магнитного поля рассеяния). Это число:
Таблица 6.2 - Значения при
температуре
Материал
провода
|
Значения
при
температуре
|
|
75
0С
|
115
0С
|
|
прямоугольный
провод
|
круглый
провод
|
прямоугольный
провод
|
круглый
провод
|
Медь
|
0,095
|
0,044
|
0,063
|
0,0292
|
Коэффициент:
где -
число проводов обмотки в осевом направлении;
где
При формула
для принимает
вид:
Из формулы видно, что при заданном значении суммарной
ширины значение
обратно
пропорционально квадрату числа проводов При
предварительных расчетах принимают
Масса металла обмотки без изоляции, :
где
Масса проводов обмотки с изоляцией:
где -
коэффициент, определяемый по [1, табл.5.5].
Таблица 6.3 - Ориентировочное увеличение массы
прямоугольного медного провода в процентах за счет изоляции для марки ПБ и
алюминиевого марки АПВ при номинальной толщине изоляции на две стороны.
Электрические потери в обмотке:
где -
коэффициент, зависящий от материала обмотки и расчетной температуры. Значения приведены
в таблице 6.4.
Таблица 6.4 - Значения при
расчетной температуре
Материал
проводов
|
Значения
при
расчетной температуре
|
|
75
0С
|
115
0С
|
Медь
|
2,4
|
2,72
|
Принимаю .
7. Расчет обмоток низшего
напряжения
.1 Расчет винтовой обмотки
В зависимости от высоты витка винтовая обмотка
может быть выполнена одно-, двух- и четырехходовой, причем витки в таких
обмотках расположены подобно ходам резьбы многоходового винта.
Обычно провода винтовых обмоток разделяются в
осевом направлении охлаждающими каналами, в некоторых случаях охлаждающие
каналы выполняются через два провода, причем эти два провода отделены друг от
друга только прокладкой толщиной
Обмотки первого типа будем называть обмотками с
полным числом каналов, а обмотки второго типа - обмотками со сдвоенными витками
(катушками). С точки зрения методики расчета, винтовые обмотки имеют следующие
особенности: витки, принадлежащие разным ходам, включаются параллельно и
располагаются в осевом направлении. Поэтому высота витка винтовой обмотки:
- при полном числе
каналов.
- ширина
охлаждающего канала.
Параллельные провода располагаются
в один ряд в радиальном направлении. Таким образом, полное сечение витка
многоходовой обмотки:
где -
сечение одного провода.
Высота обмотки определяется выражениями:
при полном числе каналов;
где
Порядок расчета винтовой обмотки следующий:
а) Выбор числа ходов и
высоты провода
Далее определяют высоту провода с изоляцией при
полном числе каналов:
Перебирая значения выбирают
такое значение при котором
выполняются условия:
где определяется
по таблице 2.8.
б) Определение осевого размера провода,
Подбирают размер по
сортаменту проводов.
в) Выбор радиального размера и
числа
Зная осевой размер провода перебором
размера по
сортаменту проводов выбирают радиальный размер и
число параллельных проводов так, чтобы с
точностью не хуже соблюдалось
равенство:
Или, что то же самое:
.
г) Определяют остальные размеры:
- как указано
выше, и
т.д.
8. Расчет обмоток высшего
напряжения
Выбор схемы регулирования напряжения
производится в соответствии с заданием на курсовую работу. В трансформаторах с
регулированием напряжения на стороне ВН путем переключения ответвлений под
нагрузкой (РПН) должно предусматриваться изменение числа витков ОВН на от
номинального значения. В трансформаторах с переключением ответвлений под
нагрузкой должно предусматриваться изменение числа витков ОВН в пределах,
указанных в таблице 8.1.
Таблица 8.1 - Пределы регулирования, %
|
|
Пределы
регулирования, %
|
25000-6300
|
6,10
|
|
В случае непрерывных катушечных обмоток ВН
используют схемы регулирования с двумя различными способами размещения
регулировочных катушек (витков) в общем концентре с нерегулируемой частью в
середине высоты обмотки. Этот способ используется в трансформаторах с РПН, как
показано на рисунке 8.1.
Рисунок 8.1 - Схемы регулирования с ПБВ
Расчет непрерывной катушечной обмотки ВН,
выполненной в одном концентре
Рекомендуется следующий порядок расчета:
а) Определяют
где -
число витков обмотки ВН при номинальном напряжении (берется из пункта 5.2);
- относительное
значения напряжения из одной ступени регулирования.
б) Определяют число витков на ответвлениях:
ступень
где -
число ступеней регулирования вниз и вверх от номинального;
ступень
ступень
в) Определяют
Ориентировочное сечение витка:
г) Находят размер :
д) Определяют число катушек .Полученное
число катушек округляется до четного числа так, чтобы получить близкое к целому
число витков в катушках , с
"недоходом" менее половины.
к) По сортаменту обмоточных проводов перебором
размера подбираем
число параллельных проводов и радиальный
размер проводов основной части обмотки так, чтобы
л) Число витков в катушке ориентировочно:
Число витков в регулировочных катушках целесообразно
принять равным числу витков между ответвлениями или
половине с
тем, чтобы между ответвлениями включить две полные регулировочные катушки. Если
окажется то
рекомендуется принять и уточнить
значение
м) Далее определяют высоту обмотки:
.
Радиальный размер массу
металла проводов, соответствующую номинальному напряжению, :
Электрические потери:
9. Расчет параметров короткого
замыкания
.1 Определение потерь короткого замыкания
Потери короткого замыкания складываются из:
электрических потерь (основных и дополнительных)
в обмотках НН и ВН;
электрических потерь в отводах обмоток;
потерь в стенках бака и других металлических
элементах конструкции трансформатора, вызванных полем рассеяния обмоток и
отводов.
Расчет производится
для .
Электрические потери обмоток
с учетом добавочных потерь от поля рассеяния определены выше при расчете
обмоток.
В винтовых одноходовых ОНН с одной общей и двумя
групповыми транспозициями могут возникать добавочные потери от несовершенства
транспозиции, т.е. от неравномерного распределения тока между параллельными
проводами. Средний коэффициент потерь может быть вычислен по формуле:
где
- радиальный
размер провода,
Определяют потери в отводах, при этом принимают
Таким образом:
где -
плотность тока в отводах обмотки, (потери
в не
учитываются);
- масса отводов i-й
обмотки,
- длина отводов i-й
обмотки,
- сечение отвода i-й
обмотки,
При соединении обмотки в звезду:
При соединении обмотки в треугольник:
Значения подставляются
из таблицы 6.4.
Плотность материала обмотки: алюминий
Потери в стенках бака на этапе расчета обмоток,
когда размеры бака еще не известны, для трансформаторов мощностью можно
определить по приближенной формуле:
где -
коэффициент, определяемый по таблице 9.1.
Таблица 9.1 - Значение коэффициента
;
;
.
9.2 Расчет напряжения короткого замыкания
Напряжение короткого замыкания рассчитывается
по формуле:
Активная составляющая напряжения короткого
замыкания:
где берется
из пункта 9.1.
Реактивная составляющая напряжения короткого
замыкания определяется по формуле:
где -
полученное при расчете обмоток отношение
Полученное значение отличается
от заданного не более чем на значит, приведенные
выше расчеты верны.
Входящая в формулу величина называется
приведенной шириной канала рассеяния.
Для двухобмоточных трансформаторов мощностью обычно
принимают:
Коэффициент Роговского:
где
10. Расчет магнитной системы
трансформатора
.1 Определение размеров магнитной системы
Выбираем конструкцию плоской трехфазной
магнитной системы, собираемой в переплет (шихтованной), с четырьмя косыми стыками
и комбинированными "полукосыми" на среднем стержне, собираемую из
пластин холоднокатаной текстурированной стали марки 3404, толщиной 0,35 мм.
Стержень прессуется бандажами из стеклоленты, ярма - балками, стянутыми
шпильками, расположенными вне ярма, и стальными полубандажами. Обмотки
прессуются кольцами.
Размеры пакетов выбираем по справочной
литературе для стержня
d =0,27 м с
прессующей пластины. Число ступеней в сечении стержня и ярма соответственно 6 и
5.
Полное сечение стержня: .
По таблице 4.3.:.
Активное сечение: ,
.
Полное сечение ярма: .
Активное сечение ярма:
Объем угла магнитной системы: .
Объем стали угла магнитной системы: ;
.
Длина стержня магнитной системы: ,
где и
-
расстояние от обмотки до верхнего и нижнего ярма:
.
Расстояние между осями соседних стержней:
.
Масса стали угла:
;
.
Масса стали стержней в пределах окна магнитной
системы:
;
.
Масса стали в местах стыка пакетов стержня и
ярма:
,
где: ;
.
Масса стали стержней:
.
Масса стали в ярмах:
Полная масса стали трансформатора:
.2 Расчет потерь холостого хода
Магнитная система шихтуется из
электротехнической тонколистовой рулонной холоднокатаной текстурированной стали
марки 3404 толщиной 0,35мм.
Индукция в стержне:
;
.
Индукция в ярме:
;
.
По таблице 10.1 находим удельные потери:
Таблица 10.1 - Удельные потери в стали p
и в зоне шихтованного стыка pз
для холоднокатаной стали марок 3404 и 3405 по ГОСТ 21427-83 толщиной 0,35,
0,30, 0,28 мм при различных индукциях и f=50
Гц.
При -
(шихтована в одну
пластину).
При -
При -
Потери холостого хода определяем по формуле:
Потери холостого хода: ∙100/3000=37,13
%
Находим коэффициенты для стали 3404 толщиной
0,35мм при наличии отжига:
.
Число косых зазоров 5, прямых - 1.
.3 Расчет тока холостого хода трансформатора
Находим удельные намагничивающие мощности:
При -
,
При -
;
При -
.
Полная намагничивающая мощность определяется по
формуле:
Находим из справочной литературы значения необходимых
для расчета коэффициентов:
Относительное значение тока холостого хода:
или заданного
значения.
Активная составляющая тока Х.Х:
,
Реактивная составляющая:
,
Ток холостого хода (для обмотки НН):
,
,
.
Коэффициент полезного действия трансформатора
(КПД):
Заключение
В ходе выполнения курсовой работы был произведен
расчет силового масляного трансформатора ТДНС мощностью 16000 кВА и основных
его параметров. В ходе работы были выбраны: главная и продольная изоляции,
конструкция магнитопровода, конструкция обмоток. Также был выполнен расчет
обмоток высшего и низшего напряжения, параметры короткого замыкания, и
магнитной системы трансформатора. Были определены: полная масса стали ,
токи ХХ ,
,
,потери
холостого хода , КПД
трансформатора.
В результате выполнения курсовой работы были
закреплены знания в области принципов действия, способов построения, методов
расчета и анализа силовых трансформаторов.
Список литературы
1.Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов.-
М.: Энергоатомиздат,1986.-526 с.
. Копылов И.П. Электрические машины.
-М.: Энергоатомиздат, 1986.-653 с.
. Касаткин А.С., Немцов М.В.
Электротехника. -М.: Энергоатомиздат, 1998. -440 с.
. Основы промышленной электроники.
Под ред. В.Г.Герасимова. -М.: Высшая школа, 1986. -340 с.
. Бородулин Ю.Б, и др.
Автоматизированное проектирование электрических машин. -М.: Высшая школа,
1989.-345 с.
. Забродин Ю. С. Промышленная
электроника. -М.: Высшая школа, 1982. -496 с., с ил.