Учебники 80188

УДК 621.317.3 (07) ББК 31.261.8

Составители:

канд. техн. наук Ю. В. Писаревский, канд. техн. наук А. Ю. Писаревский

Переходные процессы в однофазном трансформаторе: методические указания к практическим занятиям и курсовому проектированию / ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»; сост. Ю. В. Писаревский, А. Ю. Писаревский. - Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2021. - 36 с.

Основной целью указаний является получение практических навыков определения параметров электрической машины и их влияния на особенности переходных процессов, проходящих в однофазном трансформаторе.

Предназначены для проведения практических занятий, а также выполнения курсового проекта по дисциплине «Специальный курс электромеханических преобразователей энергии» магистрантами всех форм обучения.

Методические указания подготовлены в электронном виде и содержатся в файле Практикум_СКЭПЭ.pdf».

. Ил. 6. Табл. 6. Библиогр.: 6 назв.

УДК 621.317.3 (07) ББК 31.261.8

Рецензент – Л. Н. Титова, канд. техн. наук, доц. кафедры электромеханических систем и электроснабжения ВГТУ

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

ВВЕДЕНИЕ

Методические указания составлены в соответствии с рабочей программой дисциплины «Специальный курс электромеханических преобразователей энергии» для магистрантов по направлению подготовки 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» всех форм обучения.

Цель практических работ – закрепление теоретического материала, полученного на лекционных занятиях, а также получение первых навыков инженерных расчетов на примерах решения конкретных задач.

Цель курсового проектирования – закрепление и расширение знаний, полученных на лекциях, лабораторных и практических занятиях по принципам построения электрических машин, методике их расчета, а также развитие навыков самостоятельной работы и умений использования специальной технической литературы.

В результате выполнения практических работ и курсового проектирования студент должен:

-знать: основные методы расчетов переходных процессов электрических машин; основную современную компьютерную технику, используемую для расчетов в цепных и полевых задачах; основные программные продукты, используемые при проведении компьютерного моделирования переходных процессов и устойчивости электрических машин, а также вычислительных экспериментов электромагнитного поля; цели и задачи проекта создания электромеханических преобразователей энергии;

-уметь: выбирать наиболее подходящий метод расчета; использовать типовую компьютерную технику; проводить вычислительные эксперименты и обрабатывать их результаты; анализировать ресурсные ограничения, условия реализации, риски реализации, выбирать стратегию реализации проекта с учетом прогноза изменений условий проекта, анализировать эффективность реализации проекта;

-владеть: методами проведения вычислительных экспериментов в электрических машинах и трансформаторах; основами теории стационарного и переменного электромагнитного поля и методами его расчетов; разработкой плана проекта, документированием процесса управления проекта, контролем хода выполнения проекта.

3

1. ТРЕБОВАНИЯ К ПРАКТИЧЕСКИМ РАБОТАМ

Перед выполнением практических работ студент должен строго выполнить весь объем домашней подготовки; знать, что выполнению каждой работы предшествует проверка готовности студента.

При выполнении работ студент должен самостоятельно изучить методические рекомендации по проведению конкретной работы; выполнить соответствующие расчеты; пользоваться справочной и технической литературой; подготовить ответы на контрольные вопросы.

Изучая теоретическое обоснование, студент должен иметь в виду, что основной целью изучения теории является умение применить ее на практике для решения практических задач.

При решении задач рекомендуется сначала наметить ход решения. В случае простых задач рекомендуется сначала найти решение в общем виде, лишь в конце поставляя числовые значения. В случае задач с большим вычислением рекомендуется после того, как намечен ход решения, подставлять числовые значения и проводить вычисления в промежуточных формулах.

После выполнения работы студент должен представить отчет о проделанной работе с полученными результатами.

Все схемы и рисунки, сопровождающие выполнение практических работ выполняются в соответствии с требованиями действующих государственных стандартов.

Аттестация по дисциплине проводится с учетом выполнения каждой практической работы. При отсутствии студента по неуважительной причины студент выполняет работу самостоятельно, в свое личное время и защищает на консультации по указанию преподавателя.

Неаккуратное выполнение практической работы, несоблюдение принятых правил и плохое оформление чертежей и схем могут послужить причиной возвращения работы для доработки.

2. ТРЕБОВАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

Данный курсовой проект ставит своей целью помочь магистру, самостоятельно изучающему специальный курс электромеханических преобразователей энергии в системе высшего образования, овладеть основами этой дисциплины. Перед выполнением курсового проекта магистр должен изучить материал по нему с учётом методических указаний и рекомендованной литературы.

Вариант задания на контрольную работу определяется шифром студента.

Работа, не соответствующая шифру студента, не может быть зачтена и студент должен выполнить работу по другому, выбранному преподавателем, шифру или по индивидуальному заданию.

Курсовой проект должен быть выполнен в соответствии с требованиями, предъявляемыми к оформлению выпускной квалификационной работы. Схемы

4

и графики необходимо выполнять на миллиметровой бумаге с соблюдением масштабов или с помощью графического редактора Компас-График. На графиках надо выделять точки, по которым построена функциональная зависимость. Обозначения на схемах должны соответствовать ГОСТ 2.702-99; 2.721-03; 2.722-03; 2.723-03; 2.755-04; 2.725-03; 2.727-03; 2.724-03; 2.723-04; 2.729-03; 2.730-03; 2.742-03.

Аналитические расчеты должны быть подтверждены численными методами моделирования магнитных и тепловых полей и переходных процессов при помощи таких программных средств, как Elcut, ANSYS, MatLab [4, 5, 6].

После выполнения, курсовой проект сдаётся на проверку руководителю. Все замечания по курсовому проекту отмечаются в листе «Замечания руководителя».

Допускается полное оформление курсового проекта на компьютере, включающее расчеты и векторные диаграммы с последующей распечаткой на принтере на листах формата А4 (210 х 297 мм).

3. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ПО УСТРОЙСТВУ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Трансформаторы подразделяются на однофазные и трехфазные, а по степеням защиты от внешних воздействий от IP00 до IP65 (ГОСТ 24687-81).

Первая цифра показывает класс защиты от воздействия сторонних предметов окружающей среды. Стандартизировано 7 уровней защиты от внешних объектов от 0 до 6: «0» - нет защиты от внешних объектов;

«1» - обшивка обладает защитой от воздействия сторонних предметов диаметром от 50 мм, от соприкосновений оборотной стороны руки;

«2» - защита от негативного действия сторонних предметов диаметром более 12,5 мм, от касаний корпуса пальцами;

«3» - есть защита от действия посторонних предметов диаметром выше 2,5 мм, проводников, не большого инструмента (ручного);

«4» - защита от сторонних предметов с диаметром 1 мм и более – это «1» - оболочка обладает защитой от конденсатной влаги, капель дождя,

падающих строго в вертикальном положении; «2» - присутствует защита корпуса от капель, угол падения до 15 гр.;

«3» - присутствует защита от капель, угол падения до 60 гр.; «4» - присутствует защита от капель жидкости любой направленности;

«5» - защита от короткого воздействия потока (струи) жидкости случайного направления;

«6» - защита корпуса от длительного воздействия сильного потока жидкости (воды) случайной направленности, а также от волн на море;

«7» - есть защита от пропитки сырости вовнутрь корпуса оборудования при краткосрочном погружении в жидкость (воду) на глубину до 1 м. При этом может быть проникновение небольшого объема жидкости в середину, которое не обнаруживает неблагоприятного воздействия на работоспособность изделий;

5

«8» - есть защита от затекания жидкости внутрь изделий при погружении на заданную глубину в течение заданного промежутка времени). Корпус изделий в этом варианте обладает полной водонепроницаемостью;

«9» - есть защита от попадания горячей струи воды под давлением внутрь изделий.

Трансформатор состоит из бака и выемной части, включающей магнитопровод, обмотки высшего напряжения (ВН), обмотки низшего напряжения НН и также панели зажимов и деталей крепления.

Магнитопроводы трансформаторов, имеющие плоскую шихтованную бесшпилечную конструкцию могут быть выполнены из анизотропной холод- но-катанной листовой электротехнической стали марок 3404, 3405 и 3406 тол-

щиной 0,27; 0,30 и 0,35 мм..

При мощности превышающей 16 кВА при 50 Гц и 40 кВА при 400 Гц трансформаторы имеют шихтованные стержневые магнитопроводы, набранные из тонких пластин изотропной горячекатанной электротехнической стали марок 1511,1512 или 1513, в виде вертикальных стержней, соединенных сверху и снизу ярмами (рис. 1, 2). Возможно, применение изотропной холодно-катанной листовой электротехнической стали марок 2212, 2214, 2312 или 2421 толщиной

0.35…0.18 мм.

Холоднокатаная сталь в значительно большей степени, чем горячекатаная, чувствительна к механическим воздействиям.

При выборе марки и толщины стали для магнитной системы силового трансформатора следует учитывать, что сталь с более высокими магнитными свойствами имеет существенно более высокую цену, а сталь меньшей толщины при более высоких магнитных свойствах имеет меньший коэффициент заполнения.

Однофазные и трехфазные трансформаторы до 16 кВА при 50 Гц и до 40 кВА при 400 Гц имеют гнутые стыковые магнитопроводы (см. рис. 3).

Гнутый стыковой магнитопровод состоит из двух одинаковых U- образных половин для однофазного или Ш-образных половин (для трехфазного трансформатора) прямоугольного сечения, склеенных во время сборки эпоксидной смолой с примесью карбонильного железа, обладающей изолирующими свойствами, препятствующими замыканию между собой пластин магнитопровода в месте стыка.

Обмотки трансформатора выполняют в виде слоевых прямоугольных катушек, намотанных концентрически одна поверх другой на каркасах, изготовленных из стеклотекстолита. Обмотка высшего напряжения (ВН) обычно размещается снаружи, а обмотка низшего напряжения внутри, т. е. ближе к сердечнику магнитопровода. При таком расположении упрощается монтаж выводов от зажимов обмотки ВН. а также от части ее витков, с помощью которых осуществляется регулирование напряжения на зажимах трансформатора. При гнутом стыковом магнитопроводе (или при стержневой конструкции) обмотки ВН и НН делятся на две катушки с одинаковым числом витков, которые распо-

6

лагаются на стержнях трансформатора. Для обмоток применяются провода марок ПСДК и ПСДКТ, имеющие кремнийорганическую изоляцию класса Н.

Рис. 2. Магнитопровод стержневого

трансформатора, собранный из отдельных пластин с обозначением размеров

Рис. 1. Однофазный стержневой трансформатор.

Рис. 3. Гнутый стыковой магнитопро-

вод трансформатора с обозначением размеров

Перечисленные марки проводов расшифровываются следующим образом: ПСДК — провод, медный изолированный двумя слоями из бесщелочного стекловолокна с подклейкой и пропиткой кремнийорганическим лаком. ПСДКТ — тоже, что и ПСДК, но с более тонкой изоляцией. В качестве изоляции обмоток друг от друга и от корпуса используется кремнийорганическая изоляция класса Н – стеклолакоткань марок ЛСБ и ЛСК. Для обеспечения влагостойкости обмотки пропитывают и покрывают кремнийорганическими лаками и эмалями.

Условное обозначение силовых трансформаторов осуществляется в соответствии с ГОСТ Р 52719 - 2007 по следующей структурной схеме:

7

Х1 − Х2Х3 − Х4 ,

где 1– буквенная часть обозначения, которая соответствует следующему порядку обозначений: А - автотрансформатор; О или Т - однофазный или трехфазный трансформатор; Р - расщепленная обмотка НН; буквы условного обозначения видов охлаждения (С –сухие трансформаторы, естественное воздушное охлаждение при открытом исполнении, М – масляные трансформаторы, естественная циркуляция воздуха и масла ); З - трансформатор с естественным масляным охлаждением или с охлаждением негорючим жидким диэлектриком с защитой при помощи азотной подушки без расширителя; Л - трансформатор с литой изоляцией; Т - трехобмоточный трансформатор (для двухобмоточного трансформатора букву не указывают); Н - трансформатор РПН; С - трансформатор собственных нужд электростанций.

2 – номинальная мощность трансформатора, кВА;

3– класс высшего напряжения, кВ;

4– климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ 15150. В однофазных трансформаторах мощностью 10 кВА и выше при 50 Гц и

мощностью 25 кВА и выше при 400 Гц между слоями обмоток но узким сторонам (рис. 4) должны быть предусмотрены вентиляционные промежутки шириной 1 см.

Рис. 4. Разрез стержня трансформатора с обмотками 1 – обмотки ВН и НН;2 – вентиляционные каналы

Подробнее конструкции трансформаторов описаны в [3].

4. ПОРЯДОК РАСЧЁТА ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Учебная цель: получить основные представления о проектировании и конструировании простейшего электромагнитного устройства — трансформатора, выяснить основные связи между его геометрическими размерами и электромагнитными параметрами.

Содержание работы:

1. Выбрать исходные данные к расчёту трансформатора в соответствии с

8

таблицей П.1.

2. Пользуясь приведённой ниже методикой, рассчитать однофазный трансформатор.

3. . Определить параметры схемы замещения, активную и реактивную составляющие напряжения короткого замыкания. Начертить схему замещения.

4. Определить число вольт на один виток обмотки.

5. Определить коэффициент нагрузки, соответствующий максимальному

КПД.

6. Выполнить чертёж общего вида рассчитанного трансформатора в соответствии с ЕСКД и с указанием всех требуемых размеров.

7. Используя полученные параметры трансформатора, рассчитать максимальное значение тока холостого хода в однофазном трансформаторе при включении его под напряжение.

8. На основании схемы замещения трансформатора определить максимальное значение тока при внезапном коротком замыкании.

4.1 Исходные данные для проектирования

Дан однофазный трансформатор со следующими номинальными данными: 1. Номинальная мощность Sн, кВА.

2. Номинальное первичное напряжение U1н, В.

3. Номинальное вторичное напряжение U2н, В. 4. Номинальная частота fн, Гц.

Данные для выполнения задания приведены в таблице П.1.

4.2. Выбор исполнения трансформаторов и типа магнитопровода

Для трансформаторов мощностью 0,25 – 0,4 кВА при 50 Гц и 0,25 – 10 кВА при 400 Гц следует принять исполнение IP 56, для остальных — IP 44.

Все трансформаторы мощностью до 16 кВА при 50 Гц и до 40 кВА при 400 Гц должны иметь гнутый стыковой магнитопровод. При Sн ≥ 20 кВА при

fн = 50 Гц должны иметь стержневой магнитопровод.

4.3. Выбор сечения магнитопровода и магнитной индукции в сердечнике.

Выбор сечения магнитопровода непосредственно связан с величиной магнитного потока в трансформаторе

где Вm – максимальное значение индукции, Тл; Sc – сечение магнитопровода, см2;

9

kcт – коэффициент заполнения пакета стали, образующего стержень листами (учитывает изоляцию листов и воздушные промежутки между листами).

Из уравнения равновесия ЭДС и напряжений трансформатора следует

Из выражения для Sс видно, что для снижения сечения и числа витков следует повышать значение Вm.

Однако чрезмерное повышение индукции приводит к увеличению потерь в стали, возрастанию тока холостого хода, сечения меди и перегреву трансформатора. В то же время, малые значения индукции приводят к уменьшению потерь в стали, нагрева, тока холостого хода и сечения меди, но обуславливают возрастание массы стали и габаритов трансформатора. Вследствие указанных причин значения Вт должны быть определенными. Для трансформаторов с гнутым стыковым магнитопроводом индукцию можно принять равной

Для стержневых трансформаторов

Вт = 1,2 ÷ 1,4 Тл.

Большие значения выбираются для трансформаторов большей мощности. Из формулы для Sс также видно, что для определения сечения необходимо знать w1, которое заранее неизвестно. Для разрешения задачи определения

сечения стали без знания числа витков используют эмпирические формулы. Для определения сечения сердечника однофазного трансформатора можно воспользоваться формулой 4.4.

4.3.1. Сечение сердечника однофазного трансформатора

10