Выбор основных размеров трансформатора

СОДЕРЖАНИЕ

Заданиенапроектирование................................................................................ 3

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................... 4

1 Выбор основных размеров трансформатора................................................. 5

1.1 Расчет основных электрических величин трансформатора.................... 5

1.2 Определение размеров главной изоляции обмоток................................ 6

1.3 Выбор материала магнитной системы..................................................... 7

1.4 Определение основных размеров трансформатора................................ 7

2 Расчет обмоток............................................................................................... 11

2.1 Выбор материала и конструкции обмоток............................................ 11

2.2 Расчет обмотки НН................................................................................. 11

2.3 Расчет обмотки ВН.................................................................................. 14

3 Определение параметров короткого замыкания.......................................... 19

3.1 Расчет потерь короткого замыкания...................................................... 19

3.2 Расчет напряжения короткого замыкания............................................. 22

3.3 Проверка обмоток трансформатора на механическую прочность при коротком замыкании...................................................................................................... 24

4 Расчет магнитной системы трансформатора................................................ 28

4.1 Определение размеров и массы магнитной системы............................. 28

4.2 Определение потерь холостого хода трансформатора......................... 30

4.3 Определение тока холостого хода трансформатора............................. 31

5. Тепловой расчет трансформатора............................................................... 34

5.1 Тепловой расчет обмоток....................................................................... 34

5.2 Тепловой расчет бака трансформатора................................................. 35

5.3 Окончательный расчет превышений температуры............................... 39

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................. 41

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ......................................... 42

 

Задание на проектирование

Выполнить расчет и конструктивную разработку трансформатора по следующим данным:

1. Тип трансформатора ТМ.

2. Число фаз 3.

3. Частота напряжения сети 50 Гц.

4. Номинальная мощность .

5. Номинальное напряжение обмотки ВН, .

6. Номинальное напряжение обмотки НН, .

7. Схема и группа соединения обмоток .

8. Система охлаждения – с естественной циркуляцией масла и воздуха (естественное масляное).

9. Режим работы – длительная нагрузка.

 

Параметры трансформатора:

1. Напряжение короткого замыкания .

2. Потери короткого замыкания .

3. Ток холостого хода .

4. Потери холостого хода .

 

Дополнительное условие:

Обмотка из алюминиевого или медного провода.

ВВЕДЕНИЕ

 

Изучение электромеханики важно для всех электротехнических специальностей, потому что электромеханические преобразователи (электрические машины) являются основными источниками и потребителями электроэнергии. Почти вся электрическая энергия, используемая человечеством, вырабатывается синхронными генераторами, и львиная доля ее потребляется электрическими двигателями с целью преобразования в механическую энергию.

Изучение электрических машин начинается с трансформатора, потому что происходящие в нем физические процессы имеют много общего с процессами во вращающихся машинах. Принцип работы и трансформатора, и электрической машины основан на явлении электромагнитной индукции. Затем на базе теории трансформатора наглядно и удобно излагается теория электрических машин переменного тока.

Трансформатор – это статическое (т. е. без механического движения) электромагнитное устройство для преобразования напряжения переменного тока одной величины в напряжение переменного тока другой величины.

Процесс проектирования трансформатора включает получение проектного задания, электромагнитный расчет (выбор основных размеров, расчеты обмоток, параметров короткого замыкания и магнитной системы) и тепловой расчет, разработку конструкции по результатам расчетов.[1]

Расчет обмоток

 

Расчет обмотки НН

 

Расчет обмоток трансформатора начинают с обмотки НН, располагаемой между стержнем и обмоткой ВН. Число витков обмотки НН на одну фазу:

 

(2.3)

 

Округлим до целого числа

Уточним напряжение одного витка:

 

(2.4)

 

Уточняем действительную индукцию в стержне:

 

(2.5)

 

Заданное ориентировочное сечение витка обмотки НН:

 

(2.6)

 

Согласно рекомендациям [1] по приложению 9 принимаем винтовую обмотку из провода прямоугольного сечения. Сечение витка состоит из сечений нескольких параллельных проводов, расположенных в один ряд в радиальном направлении обмотки. В ряде случаев сечение витка, если оно значительно, может быть разделено на две группы параллельных проводов, образуя двухходовую обмотку. Обычно витки обмоток разделяют радиальными каналами. Иногда каналы делают через два витка или же обмотку наматывают без каналов так, чтобы виток плотно прилегал к витку. Применяют также обмотки без каналов между ходами.

 

 

Рисунок 2 - Винтовая обмотка НН

 

Примем двухходовую обмотку, в обмотке выберем  параллельных проводов. Все параллельные провода должны иметь одинаковые размеры и наматываться плашмя.

Заданный осевой размер (высота) одного витка для одноходовой обмотки с учетом транспозиции и радиальных каналов между всеми витками:

 

(2.7)

 

Максимальный заданный осевой размер витка двухходовой обмотки для медного провода составляет 4,5 см. Полученный  меньше.

Значение большего размера прямоугольного провода без изоляции для двухходовой обмотки:

 

(2.8)

 

где  - число ходов;  по приложению 10, таблице П.8 [1].

Тогда по формуле (2.8):

 

 

Ориентировочное сечение одного провода . Тогда по приложению 8 примем сечение провода . Тогда меньший размер провода ; больший размер –

Размеры провода в изоляции:

 

(2.9)

 

Таким образом, подобранные размеры проводов: .

Полное сечение обмотки из 14 параллельных проводов:

 

(2.10)

 

Реальная плотность тока в обмотке:

 

(2.11)

 

Общий радиальный размер:

 

(2.12)

 

Число охлаждающих каналов зависит от величины плотности теплового потока, которая не должна превышать 1400 Вт/м² для медного провода.

Примем обмотку с каналами между всеми витками и ходами. Тогда плотность теплового потока:

 

(2.13)

 

где  Ом·м²;  – заданный коэффициент добавочных потерь;  - коэффициент, учитывающий закрытие изоляционными деталями части охлаждаемой поверхности обмотки.

Тогда по формуле (2.13):

 

 

Осевой размер (высота) обмотки, опрессованной после сушки трансформатора:

 

(2.14)

 

где коэффициент  учитывает усадку межкатушечных прокладок после сушки и опрессовки.

Тогда по формуле (2.14):

 

 

Полученный  не превышает  см.

Внутренний диаметр обмотки:

 

(2.15)

 

Наружный диаметр обмотки:

 

(2.16)

 

Расчет обмотки ВН

 

Расчет обмотки начинается с определения числа витков, необходимого для получения номинального напряжения и напряжений всех ответвлений. Число витков при номинальном напряжении определяется по формуле:

 

(2.17)

 

Число витков на одной ступени регулирования напряжения:

 

(2.18)

 

Полученные значения округлим до целых чисел: , .

Число витков обмотки на ответвлениях +5%, 2,5%, 0%,-2,5%,-5%:

на верхних ступенях:

при номинальном напряжении:

на нижних ступенях:

Плотность тока в обмотке ВН предварительно:

 

(2.19)

 

Заданное ориентировочное сечение витка обмотки ВН:

 

(2.20)

 

Примем многослойную цилиндрическую обмотку ВН из круглого провода. Для непрерывной спиральной катушечной обмотки, применяемой как на ВН, так и на НН, чаще всего используют схему выполнения регулировочных ответвлений, представленную на рисунке 3.

 

 

Рисунок 3 - Схема регулировочных ответвлений

 

При выполнении многослойной обмотки слои соединяются последовательно (рис.4). Для данного типа обмотки число параллельных проводов . Направление намотки слоев многослойной обмотки различно. Все нечетные слои, считая изнутри, имеют одно направление намотки (обычно левое), все четные – другое (обычно правое).

 

 

Рисунок 4 – Многослойная цилиндрическая обмотка из круглого

провода

 

По приложению 7 [1], примем сечение провода .

Тогда подобранные размеры провода:

Диаметр провода в изоляции: , где  для круглого провода.

Полное сечение витка обмотки:

 

(2.21)

 

Реальная плотность тока в обмотке:

 

(2.22)

 

Число витков в слое:

 

(2.23)

 

где  - заданная высота обмотки ВН.

Тогда по формуле (2.23):

 

 

Реальный осевой размер обмотки:

 

(2.24)

 

Значение  не превышает .

Число слоев в обмотке:

 

(2.25)

 

Рабочее напряжение двух слоев:

 

(2.26)

 

Реальный радиальный размер обмотки:

 

(2.27)

 

где  - общая толщина кабельной бумаги в изоляции между двумя слоями обмотки, по таблице П.12 в приложении 11 [1] ;  - минимальный размер охлаждающего канала, по таблице П.11 в приложении 11 [1] ; число охлаждающих каналов .

Тогда по формуле (2.27):

 

 

В обмотке ВН внешняя поверхность свободно обтекается маслом и охлаждается лучше, чем внутренняя поверхность. Охлаждающие каналы делят обмотку на три катушки. Число слоев во внешней катушке – 4, во внутренней - 2.

Радиальный размер наиболее широкой катушки:

 

(2.28)

 

где  - число слоев наиболее широкой катушки.

Тогда по формуле (2.28):

 

 

Внутренний диаметр обмотки:

 

(2.29)

Наружный диаметр обмотки:

 

(2.30)

 

Полная охлаждающая поверхность обмотки ВН:

 

(2.31)

 

Примем, что обмотка намотана непосредственно на цилиндр. Обмотка состоит из трех катушек, образованных двумя каналами. В этом случае коэффициент закрытия внутренней поверхности   отсутствует и не учитывается, коэффициент закрытия внешней поверхности , коэффициенты закрытия поверхностей между катушками . Также отсутствует одна (внутренняя) поверхность охлаждения, так что коэффициент, учитывающий увеличения числа охлаждающих поверхностей обмотки с введением канала . В результате, общий коэффициент закрытия охлаждающей поверхности .

Тогда по формуле (2.31):

 

 

Тепловой расчет обмоток

 

Плотность теплового потока для цилиндрической обмотки ВН:

 

(5.1)

 

где  - поверхность охлаждения обмотки ВН.

Тогда по формуле (5.1):

 

 

Плотность теплового потока для винтовой обмотки НН:

 

(5.2)

 

где  для медных обмоток;  - коэффициент, учитывающий закрытие изоляционными деталями части охлаждаемой поверхности обмотки;  - число параллельных проводов в обмотке НН;  - число ходов в обмотке НН; ,  - размеры провода НН без изоляции;  - больший размер провода в изоляции.

Тогда по формуле (5.2):

 

 

Внутренний перепад температур в обмотках:

 

(5.3)

 

где  - толщина изоляции провода на одну сторону, для обмотки НН  мм, для ВН ;  удельная теплопроводность изоляции провода,  для кабельной бумаги в масле.

Тогда по формуле (5.3):

 

 

Средний внутренний перепад температуры обмотки:

 

(5.4)

 

Перепад температуры на поверхности цилиндрической обмотки ВН:

 

(5.5)

 

Перепад температуры на поверхности винтовой обмотки НН:

 

(5.6)

 

где  для обмоток НН – коэффициент, учитывающий затруднение конвекции масла в каналах внутренних обмоток;  по таблице 5.1 в [1] – коэффициент, учитывающий влияние относительной ширины радиального охлаждающего канала на конвекцию масла, определяем по

Тогда по формуле (5.6):

 

 

Определим среднее превышение температуры обмотки над средней температурой охлаждающего масла:

 

	(5.7)

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Развитие производительных сил современного общества немыслимо без все возрастающего производства и потребления электрической энергии. Передача последней на расстояние и её распределение потребителям невозможно без трансформаторов. Совершенствование конструкции последних с целью улучшения энергетических показателей, увеличения срока службы и повышения надежности тесно связано с требованиями промышленности, открытиями фундаментальных наук, развитием теории электрических машин.

Создание высокоэкономичных и надежных трансформаторов требует усовершенствования методов оптимизационных расчетов на основе применения ЭВМ, физического и математического моделирования, внедрения САПР и др. В то же время для инженеров остается важным умение выделять главные факторы в сложных задачах проектирования и исследования трансформаторов и, принимая обоснованные допущения, получать сравнительно простой вид решения, удобный для практического применения. Успехи инженеров-электромехаников в разработках новых и модификации уже выпускаемых трансформаторов могут быть достигнуты только при глубоком знании теории.

В настоящее время наблюдаются следующие тенденции в развитии проектирования и технологии изготовления трансформаторов: улучшение конструкций магнитных систем, обмоток и систем охлаждения с целью снижения массы, габаритных размеров машин и потерь энергии в них, а также повышение надежности путем улучшения качества изоляции и внедрения более совершенной технологии обмоточно-изолировочных работ.

В решении поставленных задач ведущая роль принадлежит работникам научно-производственных объединений электротехнической промышленности, в которых будут работать выпускники высших учебных заведений электротехнических специальностей. Существенную помощь работникам электропромышленности оказывают также ученые, преподаватели, аспиранты и студенты вузов, выполняющие научные работы по заданиям заводов и отраслевых научно-исследовательских и проектно-конструкторских институтов. [1]

СОДЕРЖАНИЕ

Заданиенапроектирование................................................................................ 3

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................... 4

1 Выбор основных размеров трансформатора................................................. 5

1.1 Расчет основных электрических величин трансформатора.................... 5

1.2 Определение размеров главной изоляции обмоток................................ 6

1.3 Выбор материала магнитной системы..................................................... 7

1.4 Определение основных размеров трансформатора................................ 7

2 Расчет обмоток............................................................................................... 11

2.1 Выбор материала и конструкции обмоток............................................ 11

2.2 Расчет обмотки НН................................................................................. 11

2.3 Расчет обмотки ВН.................................................................................. 14

3 Определение параметров короткого замыкания.......................................... 19

3.1 Расчет потерь короткого замыкания...................................................... 19

3.2 Расчет напряжения короткого замыкания............................................. 22

3.3 Проверка обмоток трансформатора на механическую прочность при коротком замыкании...................................................................................................... 24

4 Расчет магнитной системы трансформатора................................................ 28

4.1 Определение размеров и массы магнитной системы............................. 28

4.2 Определение потерь холостого хода трансформатора......................... 30

4.3 Определение тока холостого хода трансформатора............................. 31

5. Тепловой расчет трансформатора............................................................... 34

5.1 Тепловой расчет обмоток....................................................................... 34

5.2 Тепловой расчет бака трансформатора................................................. 35

5.3 Окончательный расчет превышений температуры............................... 39

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................. 41

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ......................................... 42

 

Задание на проектирование

Выполнить расчет и конструктивную разработку трансформатора по следующим данным:

1. Тип трансформатора ТМ.

2. Число фаз 3.

3. Частота напряжения сети 50 Гц.

4. Номинальная мощность .

5. Номинальное напряжение обмотки ВН, .

6. Номинальное напряжение обмотки НН, .

7. Схема и группа соединения обмоток .

8. Система охлаждения – с естественной циркуляцией масла и воздуха (естественное масляное).

9. Режим работы – длительная нагрузка.

 

Параметры трансформатора:

1. Напряжение короткого замыкания .

2. Потери короткого замыкания .

3. Ток холостого хода .

4. Потери холостого хода .

 

Дополнительное условие:

Обмотка из алюминиевого или медного провода.

ВВЕДЕНИЕ

 

Изучение электромеханики важно для всех электротехнических специальностей, потому что электромеханические преобразователи (электрические машины) являются основными источниками и потребителями электроэнергии. Почти вся электрическая энергия, используемая человечеством, вырабатывается синхронными генераторами, и львиная доля ее потребляется электрическими двигателями с целью преобразования в механическую энергию.

Изучение электрических машин начинается с трансформатора, потому что происходящие в нем физические процессы имеют много общего с процессами во вращающихся машинах. Принцип работы и трансформатора, и электрической машины основан на явлении электромагнитной индукции. Затем на базе теории трансформатора наглядно и удобно излагается теория электрических машин переменного тока.

Трансформатор – это статическое (т. е. без механического движения) электромагнитное устройство для преобразования напряжения переменного тока одной величины в напряжение переменного тока другой величины.

Процесс проектирования трансформатора включает получение проектного задания, электромагнитный расчет (выбор основных размеров, расчеты обмоток, параметров короткого замыкания и магнитной системы) и тепловой расчет, разработку конструкции по результатам расчетов.[1]

Выбор основных размеров трансформатора