Задание на проект трансформатора.

Расчет силового трехфазного двухобмоточного трансформатора ограничивается электромагнитным расчетом. Опускаются, как непредусмотренные программой, тепловой расчет и расчет системы охлаждения, экономический расчет. Содержание электромагнитного расчета:

• определение основных электрических параметров (линейных и фазных токов и напряжений, испытательных напряжений, активной и реактивной составляющих напряжения короткого замыкания);

• определение основных параметров трансформатора (выбор магнитной системы, выбор марки и толщины стали, выбор индукции в магнитной системе, предварительный расчет трансформатора и выбор соотношений основных параметров, определение диаметра стержня и высоты обмотки, определение активного сечения стержня, предварительный выбор конструкции и размеров главной изоляции обмоток);

• расчет обмоток;

• определение параметров короткого замыкания (потерь и напряжения короткого замыкания);

• окончательный расчет магнитной системы (определение размеров и активных сечений сердечника, определение массы стали, определение потерь и тока холостого хода).

Исходные данные:

- полная мощность трансформатора S = 160 кВ*А;

- число фаз m = 3;

- частота тока в сети f = 50 Гц;

- номинальное линейное напряжение обмотки высшего напряжения (ВН) U = 6 кВ;

- номинальное линейное напряжение обмотки низшего напряжения (НН) U = 0,23 кВ;

• способ регулирования напряжения, число ступеней и пределы регулирования – ПБВ 2 x 2,5%(переключением без возбуждения на стороне ВН, т.е. ручным переключением, 2 ступени каждая по 2,5%);

• схема и группа соединения обмоток Y/Yн-0;

• ток холостого хода Jo = 3,9%;

• потери холостого хода Pх = 0,73 кВт;

• напряжение короткого замыкания Uк = 4,5%;

• потери короткого замыкания Pк = 2,65 кВт.

1. Определение основных электрических параметров

а). Рассчитаем номинальные (линейные) токи по формуле:

I = ; где ;.

ВН A

НН A

Фазные токи обмоток при схеме соединения Y/Yн-0, равны линейным токам.

Фазные напряжения:

;

ВН

НН

б). Мощность одной фазы и обмоток одного стержня:

г). Испытательные напряжения обмоток:

по таблице 17-8 находим для

ВН

НН

д). Активная и реактивная составляющие напряжения короткого замыкания:

;

2. Определение основных размеров трансформатора.

а). Выбор схемы и конструкции магнитной системы.

Подавляющее большинство силовых трансформаторов выполняется с плоской магнитной системой (магнитопроводом) стержневого типа, с вертикально расположенными стержнями, имеющими поперечное сечение в виде ступенчатой фигуры, вписанной в окружность, и с обмотками в виде круговых цилиндров. Таким образом, учитываем, что магнитная система рассчитываемого трансформатора такая же как описана выше.

Число ступеней в сечении стержня и коэффициент заполнения площади круга находим по табличным значениям:

• ориентировочный диаметр стержня d = 0,2м;

• число ступеней 6;

• коэффициент заполнения площади круга площадью ступенчатой фигуры

Прессовка набора пластин стержня осуществляется путем забивания деревянных стержней и планок между стержнем и обмоткой НН (при мощностях до 630 кВА).

б). Выбор марки и толщины листов стали и вида изоляции пластин; выбор индукции в магнитной системе.

Сердечник трансформатора из пакетов пластин тонколистовой электротехнической стали толщиной 0,35 мм. Ширина пластин, определяющая ширину и толщину пакетов, образующих сечение стержня, выбирается по нормализованной шкале (размеры ширины пластин – 40, 55, 65, 75, 85, 95, 105, 120, 135, 155, 175, 195, 215, 230, 250, 270, 290, 310, 325, 350, 368, 385, 410 мм).

Размеры и ширины пластин и толщины пакетов находим по таблице (покрытие пластин термостойкое):

1-я ступень	105 мм	5 мм
2-я ступень	120 мм	6 мм
3-я ступень	135 мм	11 мм
4-я ступень	155 мм	15 мм
5-я ступень	175 мм	26 мм
6-я ступень	195 мм	22 мм

Материалом сердечника является электротехническая холоднокатанная анизотропная легированная сталь (ГОСТ 21427.1 – 75) марка 3404.Индукцию (рекомендуемую) в стержне выбираем по таблице и она равна

в). Предварительный расчет трансформатора и выбор соотношения основных параметров.

Основными размерами трансформатора являются: диаметр стержня магнитной системы d; высота обмоткиl.Диаметр стержня предварительно определяется по формуле:

; где - соотношение основных параметров выбираем по таблице (–средняя длина витка двух обмоток)

S’, кВА – мощность одного стержня;

- здесь -по таб.;

, но не менее 0,012 м (-по таб.);

- коэффициент привидения идеального поля рассеивания к реальному.

, где -коэффициент заполнения сечения пакета сечением стали (по таб.).

Выбираем и вычисляем значения:

;

; ;

Выбираем Находим:

г).Определение диаметра стержня и высоты обмотки.

Определение активного сечения стержня.

По диаметру стержня, найденному по формуле, выбирается ближайшее значение из нормализованного ряда диаметров стержня:0,08;0,09;0,10;0,11;0,125;0,14;0,16;0,18;0,20;0,22;0,24;0,26;0,28;0,30;0,32;0,34;0,36;0,38;0,40;0,42;0,45;0,48;0,50;0,53;0,56;0,60;0,63;0,67;0,71;0,75.

После выбора нормализованного диаметра уточняется:

Активное сечение стержня,:

Электродвижущая сила одного витка (В):

Средний диаметр осевого канала, (м):

, где

Высота обмотки:

д).Предварительный выбор конструкции обмоток.

Основным элементом всех обмоток трансформатора является виток. В зависимости от величины тока нагрузки виток может быть выполнен одним проводом круглого сечения или прямоугольного сечения, а при достаточно больших токах – группой параллельных проводов прямоугольного сечения(реже круглого).

Выбор конструкции обмотки производится по таб. С учетом мощности трансформатора S’, отнесенной к одному стержню выбранного металла обмотки – меди или алюминия, токаобмотки одного стержня, поперечного сечения виткаи номинального напряженияобмотки.

Число витков обмотки на фазу и ЭДС одного витка:

Средняя плотность тока в обмотках ВН и НН (предварительно), для медного провода, :

в указанных формулах значения:, находятся по таблице.

В соответствии с полученным подбираем сечение и число параллельных проводов для обмоток. Ориентировочное сечение витка каждой обмотки:где соответствующей обмотки одного стержня (фазный ток);- средняя плотность тока в обмотках. После этого по таблице выбираем типы обмоток ВН и НН для медного провода (

Находим:

Сечение витков:

ВН

НН

По таблице выбираем тип обмоток:

ВН – цилиндрическая многослойная из провода прямоугольного сечения;

НН – цилиндрическая многослойная из провода прямоугольного сечения.

3. Расчет обмоток трансформатора.

а). Расчет обмоток низшего напряжения (НН).

Число витков принимаем

Уточняем ЭДС одного витка:

Средняя плотность тока в обмотке:

Из таблицы для мощности S’=53,333, номинального тока402 А и напряжения обмотки0,23 кВ выбираем цилиндрическую многослойную обмотку из провода прямоугольного сечения.

Ориентировочное сечение витка:

Выбираем конструкцию однослойной цилиндрической обмотки из прямоугольного медного провода. Число витков в слое Ориентировочная высота витка:

По таблице выбираем два прямоугольных медных провода размерами:

Изоляция из стекловолокна толщиной 0,9. Намотка провода на ребро (этими проводами укладывается один слой). Сечение витка:

При сечении одного провода плотность тока равна:

Окончательно:

Осевой размер обмотки НН – высота обмотки:

Радиальный размер обмотки:

Внутренний диаметр:

Наружный диаметр:

Масса металла медной обмотки:

б). Расчет обмотки высшего напряжения (ВН).

В масляных трансформаторах на стороне ВН осуществляется регулирование напряжения по схеме ПБВ (переключение без возбуждения). Регулирование напряжения по этой схеме осуществляется после отключения трансформатора от сети и от нагрузки путем перестановки соединяющей пластины (вводятся дополнительные витки, либо уменьшается число витков от номинального значения).

Для обеспечения такой регулировки в обмотке ВН выполняются четыре ответвления на + 5; + 2,5; -2,5; -5% и основной вывод на номинальное напряжение.

Для установки номинального напряжения поставить переключатель в положение 0 (соответственно ).

Число витков в обмотке ВН: верхние ступени напряжения

средняя ступень - нижние ступени -

Для получения на стороне ВН различных напряжений необходимо рассчитать число витков на напряжения: 33250 В; 34125 В; 35000 В; 35875В и 36750 В.

Число витков обмотки ВН при нормальном напряжении:

витков.

Число витков на одной ступени регулирования (на ).

витков.

Число витков на ответвлениях:

Ступень 33250 В – = витков

Ступень 34125 В – = витков

Ступень 35000 В – = витка

Ступень 35875 В – = витков

Ступень 36750 В – = витка

Ориентировочная плотность тока

Ориентировочное сечение витка:

Из таблицы, для расчета сечения проволоки , выбираем размеры прямоугольного сечения:

; , т.е.

При намотке таким проводом плашмя в одном слое укладывается витков:

витка.

Все витки катушки (932 шт.) укладываются в 13 слоях.

Радиальный размер обмотки:

Внутренний диаметр обмотки:

Наружный диаметр обмотки:

Масса металла обмотки:

4. Определение параметров короткого замыкания.

а). Определение потерь короткого замыкания.

Потери короткого замыкания состоит из:

основных потерь в обмотках НН и ВН - ;

добавочных потерь в обмотках за счет поля рассеяния обмоток:

и ;

основных потерь в отводах между обмоткой НН и вводами (потери в отводах ВН0).

Основные (электрические) потери для медного провода составляют:,

где плотность тока в обмотке,;

масса металла медной обмотки (для алюминиевого провода формула имеет вид ).

Для обмотки НН:

Для обмотки ВН:

Обычно принимают равными 1,05 - 1,1. Потери в отводах НН определяются по выражению, где масса металла проводов отводов(для соединенияY-Y).площадь поперечного сечения витка, ();

- для меди (плотность металла отводов).

Полные потери короткого замыкания:

К этим потерям следует также добавить потери в баке и металлических конструкциях (10-15% - для мощностей 1000 кВА).Принимаем:

Окончательно : больше заданной нормы 2650(Вт) (в пределах допустимого).

(на больше).

б). Рассчитаем напряжение короткого замыкания. Активная составляющая.

Реактивная составляющая определяется по формуле:

; где см;

Напряжение короткого замыкания:

что на что находится в пределах заданной нормы.

4. Окончательный расчет магнитной системы.

а). Определение размеров пакетов и активных сечений стержня и ярма.

Для силовых трансформаторов, кроме нормализованного ряда диаметров стержней магнитных систем и размеров ширины пластин, нормализованы также число ступеней в сечении стержня и ярма, размеры пакетов пластин, число, размеры и расположение охлаждающих каналов, а, следовательно, и площади поперечных сечений стержня и ярма.

Активное сечение стержня, ():. Активное сечение ярма, ():, где- по таблице. Индукция в стержне, (Тл):; индукция в ярме:.

Выбираем конструкцию трехфазного стержневого сердечника, собираемого в переплет (шихтованного) из пластин холоднокатаной текстурированной стали со стыками. Стержень прессуется расклиниванием с обмоткой. В сечении стержня 6 ступеней.Находим значения потаблицы:

Активное сечение стержня:

Активное сечение ярма:

Индукция в стержне:

Индукция в ярме:

Длина стержня , где- длина обмотки НН,- толщина главной изоляции обмотки от ярма (по таблице);,

Длина стержня:

Расстояние между осями свободных стержнево, где- внешний диаметр обмотки ВН;- расстояние между обмотками ВН соседних стержней (по таблице);,

Расстояние между осями свободных стержней:

.

б). Определение массы стали.

Масса стали в стержнях при многоступенчатой нормализованной форме поперечного сечения стержня определяется по выражению:

, где - число стержней магнитной системы;- длина сердечника,;- активное сечение стержня,;(для холоднокатоной стали) – плотность трансформаторной стали.

.

Масса стали ярма определяется по формуле: , где- масса стали двух ярм в их частях, заключенных между осями крайних стержней;

- масса стали двух ярм в их частях, выходящих за оси.

Рассчитаем массы:

;

Полная масса стали:

.

в). Определение потерь и тока холостого тока.

Потери холостого тока зависят от магнитных свойств, конструкции магнитной системы и принятой системы и принятой технологии ее изготовления. Кроме того, в углах магнитной системы возникают добавочные потери, обусловленные анизотропией магнитных свойств холоднокатаной стали. Эти потери больше при прямых стыках (срез пластин под углом ) и существенно меньше при косых стыках (срез пластин под углом).

Потери холостого тока в магнитной системе, собранной из пластин холоднокатаной анизотропной стали со стержнями и ярмами с многоступенчатой формой сечения, без проштамповки отверстий в пластинах, с прессовкой и стяжкой ярм ярмовыми балками и стержней путем расклинивания с обмоткой определяются следующим выражением:

; где

- по таблице; .

Величины: ,- удельные потери в стали при расчетной индукции и частоте (по таблице);.

при отжиге пластин.

Для расчетного трансформатора находим:

что на - лучше заданной нормы.

Ток холостого тока зависит от тех же факторов, что и потери, причем воздействие этих факторов на токе оказывается значительно больше.

Намагничивающая мощность при холостом ходе для трехфазной магнитной системы, собранной из отожженных пластин холоднокатаной анизотропной стали, со стержнями и ярмами, с многоступенчатой формой сечения без проштамповки отверстий в пластинах, с прессовкой и стяжкой ярм ярмовыми балками и стержней путем расклинивания с обмоткой, при косых стыках на среднем стержне (2 стыка) определяется:

; где для медных обмоток. Выбираем коэффициент, при индукции;- удельная намагничивающая мощность:, и, (из таблицы).

Ток холостого тока трансформатора:

активная составляющая

;

реактивная составляющая

; где .

Полный ток холостого хода:

.

Вычисляем намагничивающую мощность:

.

Вычисляем активные и реактивные составляющие:

; .

Вычисляем полный то холостого хода:

, что на

- лучше нормы.