Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального

образования

«ИВАНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

имени В.И. Ленина»

Кафедра «Электромеханики»

Курсовой проект

Расчет трансформатора

Выполнил: студент гр.4-71У

Иванов И.В.

Проверил: к.т.н. Морозов Н.А.

ИВАНОВО 2011

Содержание

Введение

1. Задание на расчёт трансформатора

2. Определение основных электрических величин

2.1 Расчёт основных электрических величин и изоляционных расстояний

2.2 Определение исходных данных расчёта

2.3 Расчёт основных коэффициентов

3. Расчёт обмоток НН и ВН

3.1 Расчёт обмотки НН

3.2 Расчёт обмотки ВН

4. Определение параметров короткого замыкания

4.1 Расчёт потерь короткого замыкания

4.2 Расчёт напряжений короткого замыкания

4.3 Расчёт механических сил при коротком замыкании

5. Окончательный расчёт магнитной системы

6. Определение параметров холостого хода

6.1 Расчёт потерь холостого хода

6.2 Расчёт тока холостого хода

7. Тепловой расчёт трансформатора

7.1 Тепловой расчёт обмоток

7.2 Тепловой расчёт бака

8. Заключение

9. Список используемой литературы

Введение

В настоящее время электрическая энергия для промышленных целей и электроснабжения городов производится на крупных тепловых или гидроэлектростанциях в виде трехфазной системы переменного тока частотой 50 Гц. Напряжения генераторов, установленных на электростанциях, стандартизованы и могут иметь значения 6600, 11 000, 13 800, 15 750, 18 000 или 20 000 в (ГОСТ 721-62). Для передачи электроэнергии на большие расстояния это напряжение необходимо повышать до 110, 220, 330 или 500 кВ в зависимости от расстояния и передаваемой мощности. Далее, на распределительных подстанциях напряжение требуется понижать до 6 или 10 кВ (в городах и промышленных объектах) или до 35 кВ (в сельских местностях и при большой протяженности распределительных сетей). Наконец, для ввода в заводские цеха и жилые квартиры напряжение сетей должно быть понижено до 380, 220 или 127 в.

Повышение и понижение напряжения переменного тока и выполняют силовые трансформаторы. Трансформаторы сами электрическую энергию не производят, а только ее трансформируют, т. е. изменяют величину электрического напряжения. При этом трансформаторы могут быть повышающими, если они предназначены для повышения напряжения, и понижающими, если они предназначены для понижения напряжения. Но принципиально каждый трансформатор может быть использован либо как повышающий, либо как понижающий в зависимости от его назначения, т. е. он является обратимым аппаратом. Силовые трансформаторы обладают весьма высоким коэффициентом полезного действия (к. п. д.), значение которого составляет от 95 до 99,5%, в зависимости от мощности.

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную), имеющую другие характеристики. Принцип действия трансформатора основан на законе электромагнитной индукции, открытом английским физиком Фарадеем в 1831 г. Явление электромагнитной индукции состоит в том, что если внутри замкнутого проводникового контура изменяется во времени магнитный поток, то в самом контуре наводится (индуктируется) электродвижущая сила (э. д. с.) и возникает индукционный ток. Чтобы уменьшить сопротивление по пути прохождения магнитного потока и тем самым усилить магнитную связь между первичной и вторичной катушками или, как их более принято называть, обмотками, последние должны быть расположены на замкнутом железном (стальном) сердечнике (магнитопроводе). Применение замкнутого стального магнитопровода значительно снижает относительную величину потока рассеяния, так как проницаемость применяемой для магнитопроводов стали в 800-1000 раз выше, чем у воздуха (или вообще у диамагнитных материалов).

Трансформатор состоит из магнитопровода и насаженных на него обмоток. Кроме того, трансформатор состоит из целого ряда чисто конструкционных узлов и элементов, представляющих собой конструктивную его часть. Элементы конструкции служат главным образом для удобства применения и эксплуатации трансформатора. К ним относятся изоляционные конструкции, предназначенные для обеспечения изоляции токоведущих частей, отводы и вводы - для присоединения обмоток к линии электропередачи, переключатели - для регулирования напряжения трансформатора, баки - для заполнения их трансформаторным маслом, трубы и радиаторы - для охлаждения трансформатора и др.

Магнитопровод и обмотки вместе с крепежными деталями образуют активную часть силового трансформатора.

Трансформатор во время своей работы вследствие возникающих в нем потерь нагревается. Чтобы температура нагрева трансформатора (в основном его изоляции) не превышала допустимого значения, необходимо обеспечить достаточное охлаждение обмоток и магнитопровода. Для этого в большинстве случаев трансформатор (активную часть) помещают в бак, заполненный трансформаторным маслом.

1. Задание на проектирование трансформатора

Спроектировать силовой масленый трансформатор с регулированием напряжения без нагрузки - ПБВ (2+ 2.5)% соответствующий требованиям ГОСТ 11677-83 «Силовые трансформаторы. Общие технические условия.», согласно следующему техническому заданию: мощность S=200 кВА, число фаз m=3, частота f=50 Гц, напряжение ВН Uвн=10 кВ, напряжение НН Uнн=0,4 кВ, охлаждение – масленое, режим нагрузки – длительная, характер установки – наружная. Напряжение и потери короткого замыкания: uк=4,5%, Pк=3400 Вт. Ток и потери холостого хода i0=2.4%, Pх=620 Вт. Схема и группа соединений Y/Y.

3. Определение основных электрических величин

2.1 Расчет основных электрических величин и изоляционных расстояний

Мощность одной фазы

Мощность обмоток одного стержня

Номинальные линейные токи:

Фазные токи обмоток (схема соединения - звезда) равны линейным токам:

Фазное напряжение трёхфазного трансформатора:

Испытательные напряжения обмоток (таблица 4-1)

По таблице 5-8 выбираем тип обмоток.

Обмотка ВН при напряжении 10кВ и токе 11,55А – цилиндрическая многослойная из круглого медного провода; обмотка НН при напряжении 0,4кВ и токе 288,68А – цилиндрическая двухслойная из прямоугольного медного провода.

Для испытательного напряжения обмотки ВН UИСП = 35 кВ по таблице 4-5 находим изоляционные расстояния: a12 =0,9 см; l0 = 3 см; a22 = 1 см; для UИСП = 5 кВ по таблице 4-4 находим а01 = 0,4 см.

Рисунок 1 - Главная изоляция обмотки ВН

2.2 Определение исходных данных расчета

см

k = 0,6 по таблице 3-3.

Приведенный канал рассеяния:

см

Активная составляющая напряжения короткого замыкания:

%

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:

%

Согласно указаниям §2-2 выбираем трехфазную стержневую шихтованную магнитную систему с косыми стыками на крайних стержнях и прямыми стыками на среднем стержне.

Рисунок 2- Схема плоской стержневой

Рисунок 3-Форма стыков стержней и магнитной цепи трансформатора ярем

Прессовка стержней без применения специальных конструкций путем забивания деревянных стержней и планок между стержнем и обмоткой НН. Материал магнитной системы – холоднокатаная текстурованная рулонная сталь марки Э330А толщиной 0,35 мм. Индукция в стержне (по таблице 2-9). По таблице 2-1 в сечении стержня 6 ступеней, коэффициент заполнения круга . Изоляция пластин – жаростойкое покрытие с однократной лакировкой по таблице 2-6 ( - коэффициент заполнения сечения стержня (или ярма) сталью – отношение чистой площади стали в сечении – активного сечения Пс (или Пя) к площади ступенчатой фигуры Пф, т.е. ). Общий коэффициент заполнения сталью площади круга, описанного около сечения стержня, . Ярмо многоступенчатое, число ступеней 5 (таблица 2-3), коэффициент усиления ярма . Прессовка ярма: балками стянутыми шпильками, расположенными вне ярма. Индукция в ярме . Индукция в зазоре на прямом стыке . На косом стыке .

Удельные потери в стали pС = 1,38 Вт/кг; pЯ = 1,29 Вт/кг (таблица 8-4). Удельная намагничивающая мощность qC = 3,12 В·А/кг; qЯ = 2,69 В·А/кг (таблица 8-11); для зазоров на прямых стыках q''З =3,51 В·А/см2; для зазоров на косых стыках q'З = 0,158 В·А/см2 (таблице 8-11).

3. Расчёт основных коэффициентов

По таблице 3-6 находим коэффициент, учитывающий отношение основных потерь в обмотках к потерям короткого замыкания, kД = 0,95 и по таблице 3-4 и 3-5 - постоянные коэффициенты для медных обмоток а = 1,38 и b = 0,46. Принимаем kР = 0,95. Диапазон изменения β от 1,8 до 2,4 (таблица 3-12).

Расчет основных коэффициентов. По (3-30), (3-36), (3-43), (3-44), (3-52), (3-65) находим коэффициенты:

кг

кг

кг

кг

МПа, где

Минимальная стоимость активной части трансформатора имеет место при условиях, определяемых уравнением . (3-55)

Для рассчитываемого трансформатора:

По таблице 3-7 , а коэффициент для медных проводов , учитывающий изоляцию провода и регулирование напряжения, то есть массу металла обмоток умножают на коэффициент

x = 1,23

Решение этого уравнения даёт β=x4=2,28, соответствующую минимальной стоимости активной части.

Находим предельные значения β по допустимым значения плотности тока ∆ и растягивающим механическим напряжениям σр:

; β∆ =

; βσ =

Оба полученных значения лежат за пределами обычно применяемых.

Масса одного угла

Активное сечение стержня :

Площадь зазора на прямом стыке Пз = Пс = 110,39x2 ;

На косом стыке Пз = Пс*

Потери холостого хода по формуле (8-32):

намагничивающая мощность по формуле (8-44):

Далее определяем основные размеры трансформатора:

Весь дальнейший расчёт, начиная с определения массы стали магнитной системы, для 5 различных значений β (от 1,8 до 2,4) проводиться в форме таблицы 1.

Таблица 1-Предварительный расчет трансформатора ТМ-200/10 с плоской шихтованной магнитной системой и алюминиевыми обмотками.

	1,8	1,9	2	2,2	2,4
	1,16	1,17	1,19	1,22	1,24
	1,34	1,38	1,41	1,48	1,55
	1,55	1,62	1,68	1,81	1,93
	122,47	120,83	119,29	116,48	113,97
	20,38	20,94	21,48	22,53	23,53
	142,85	141,77	140,77	139,01	137,51
	154,98	161,40	167,73	180,15	192,30
	8,77	9,01	9,25	9,70	10,13
	163,76	170,41	176,97	189,85	202,43
	306,61	312,18	317,75	328,87	339,94
	14,14	14,73	15,30	16,44	17,55
	185,14	183,73	182,44	180,16	178,21
	201,62	209,81	217,89	233,75	249,24
	54,93	57,20	59,44	63,85	68,15
	441,68	450,74	459,77	477,75	495,60
Пс = 110,39x2	148,10	152,16	156,12	163,73	171,02
	400,15	397,11	394,32	389,39	385,18
	416,10	433,01	449,69	482,42	514,38
	721,13	750,98	780,43	838,26	894,79
	1260,98	1295,54	1329,19	1394,07	1456,06
	2798,37	2876,63	2953,63	3104,13	3250,40
	1,40	1,44	1,48	1,55	1,63
	138,01	134,33	130,93	124,83	119,52
	142,15	138,36	134,86	128,58	123,11
	146,41	142,51	138,90	132,44	126,80
	288,44	280,74	273,64	260,90	249,79
	595,05	592,92	591,38	589,77	589,73
	3,14	3,18	3,22	3,30	3,37
	10,55	10,99	11,42	12,27	13,09
	14,91	15,11	15,31	15,67	16,02
	20,57	20,85	21,12	21,63	22,11
	35,90	34,48	33,18	30,89	28,94
	29,33	29,70	30,06	30,74	31,37

Результаты расчетов, приведённые в таблице 1 показаны в виде графиков на рисунках 4 - 9.

Рисунок 4 - Изменение массы стали стержней Gc, ярма Gя и магнитной системы Gст с изменением β.

Рисунок 5 - Изменение относительной стоимости активной части с изменением β.

Рисунок 6 - Изменение потерь холостого хода с изменением β.

Рисунок 7 - Изменение тока холостого хода с изменением β.

Рисунок 8 - Изменение механических напряжений при растяжении с изменением β.

Рисунок 9 - Изменение плотности тока с изменением β.

Графики, показанные на рисунках 4 – 9 позволяют заметить, что с ростом β масса металла обмоток G0 и масса стали в стержнях Gс уменьшается, а масса стали в ярмах Gя и общая масса стали Gcт возрастают.

Общая стоимость активной части Gач с ростом β сначала падает, а затем, пройдя через минимальное значение, снова возрастает. Поскольку с увеличением β при сохранении индукции Вс общая масса стали возрастает, должны возрастать также потери и ток холостого хода, что подтверждается графиками Рх и i0.

Уменьшение массы металла обмоток с ростом β при сохранении потерь короткого замыкания приводит к уменьшению сечения как всей обмотки, так и каждого её витка, а следовательно, к увеличению плотности тока и механических напряжений от растяжения в обмотках при коротком замыкании трансформатора. Рост плотности тока ∆ и напряжений от растяжения в проводе обмоток σр для рассчитанного трансформатора виден из графиков показанных на рисунках 8-9.

Широкий диапазон значений β, практически обеспечивающий получение минимальной стоимости активной части трансформатора с отклонением от минимума не более чем на 1%, еще не определяет оптимального значения β. Для выбора оптимального β необходимо обратиться к другим критериям. Графики на рисунке 3 позволяют определить предельные значения β ≤ 3,85 для заданных потерь холостого хода PХ = 620 Вт. Предельное значение для заданного тока холостого хода i0 = 2,4 % составляет β ≤ 4,83. Ранее были установлены предельные значения, ограниченные плотностью тока, β ≤ 7,59, и механической прочностью обмоток при коротком замыкании, β ≤ 18. Полученные по этим критериям предельные значения β сведены в таблицу 2 и графически представлены на рисунке 7.

Предельные значения β, полученные при предварительном расчете.

Таблица 2-Предельные значения β, полученные при предварительном расчете.

C'А.Ч min	PX	i0	∆	σP
1,79 – 2,95	3,85	4,83	7,59	18

i₀

1

2

3

4

5

β=0

C'_А.Ч

С'_А.Ч > 1,01·C_min

P_X

P_X > 620 Вт

i₀ > 2,4 %

∆

∆> 4,5 A/мм²

σ_Р

σ_Р > 60 МПа

d 14 16 18

Рисунок 10- Определение оптимального значения β для трансформатора.

На этом рисунке заштрихованы те зоны, в которых данный параметр выходит за пределы, установленные для него ГОСТ или заданными условиями. Выбор значений β (и диаметра стержня) возможен только в пределах всех не заштрихованных зон. Учитывая желательность получения стоимости активной части, близкой к минимальной, выбираем нормализованный диаметр d = 16 cм при β = 2,39.

Для выбранных значений d и β рассчитываем и находим по графикам следующие данные трансформаторов:

β = 2,39 ; х = 1,24; х2 = 1,55; х3 = 1,92

Диаметр стержня магнитной системы:

d = 12,87*1,24 = 16 см

Активное сечение стержня:

Пс = 170,66 см2

Средний диаметр обмоток:

d12 = 22,08 см

Высота обмотки:

l = 29,03 см принимаем l = 29 cм

Высота стержня:

lc = l + 2l0 = 35 см

Расстояния между осями стержней:

С = 22,08 + 0,9 + 0,46*16 + 1 = 31,34 см

Электродвижущая сила одного витка:

uв = 4,44*f*Пс*Вс*10-4 = 4,44*50*170,66*1,62*10-4 = 6,14 В

Масса стали:

Gст = 339,39 кг

Масса металла обмоток:

G0 = 119,77 кг

Масса провода:

Gпр = 250,32 кг

Плотность тока:

∆ = 3,37 А/мм2

Механическое напряжение в обмотках:

σр = 13,05 МПа

Стоимость активной части в условных единицах:

Сач = 589,7

Потери холостого хода:

Рх = 494,71 Вт

Ток холостого хода:

i0 = 1,62 %