Проектирование трансформатора

СОДЕРЖАНИЕ



	ВВЕДЕНИЕ

	1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

	2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ТРАНСФОРМАТОРА

	3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕСА АКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ

	4. РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК

	5. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРА

	ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ




ВВЕДЕНИЕ



Электрическая энергия имеет ряд преимуществ перед другими формами энергии. Она легко преобразуется в механическую, световую, химическую и другие формы энергии, экономично передается на большие расстояния, распределяется между любым числом приемников энергии различной мощности. Поэтому электрическая энергия получила широкое применение во всех областях народного хозяйства – в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и др.

В промышленности на основе электрификации все шире внедряется комплексная механизация и автоматизация производственных процессов. Интенсивно развивается электротехнология – электротермические и электролитические способы получения и обработки металлов. С каждым годом вступают в строй все новые и новые автоматические линии машин, цехи и заводы-автоматы. С помощью электроэнергии осуществляется электросварка, закалка стали токами высокой частоты и др.

Процесс производства и передачи электроэнергии является столь динамичным и постоянно подверженным случайным возмущающим воздействиям, что без автоматического управления его функционирование невозможно. Такие его особенности, как равенство в каждый момент времени генерируемой и случайно изменяющейся, требуемой нагрузкой, мощностей, время от времени возникающие короткие замыкания, высокая быстротечность электромагнитных и электромеханических переходных процессов, обусловили развитие технических средств автоматического управления еще в начальный период становления электроэнергетики. Под автоматическим понимается управление процессом производств, передачи и потребления электроэнергии в целом без непосредственного участия человека.

Обычно переменный ток, проходя путь от генератора к потребителю, трансформируется 8-9 раз. Следовательно, суммарная мощность силовых трансформаторов в несколько раз превышает мощности всех генераторов, установленных на электростанциях.

Помимо передачи и распределения электрической энергии между потребителями силовые трансформаторы находят широкое распространение для специальных нагрузок: в различных выпрямительных, преобразовательных, защитных и других устройствах. Поэтому трансформаторы являются наиболее распространенными электротехническими устройствами.

Трансформатор – это статический электромагнитный аппарат, служащий для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого при неизменной частоте.

Принцип работы трансформатора основан на законе электромагнитной индукции. Конструктивно трансформатор состоит их двух или нескольких обмоток, связанных электромагнитно. Для усиления магнитной связи между обмотками трансформатора их располагают на стальном сердечнике.

Проектирование нового трансформатора состоит из нескольких этапов: разработка эскизного проекта; технического проекта; рабочего проекта и конструкторско-технологической подготовки производства.

В отличие от реального проектирования в конструкторских бюро, учебное проектирование имеет свои особенности. Они заключаются в том, чтобы учащийся получил навыки правильного выбора основных размеров и конструктивных элементов отдельных частей трансформатора, удовлетворяющих требованиям задания на проектирование; освоил методы расчета всех технических данных трансформатора.

Для учебного проектирования часто используется не теоретические решения, а полуэмпирические формулы, которые сразу дают возможность найти такие основные размеры трансформатора, при которых наиболее вероятно удовлетворились бы требования задания на проектирование.




1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН



1.1 Мощность одной фазы  и одного стержня , кВА



В соответствии с заданием имеем трехфазный трансформатор стержневого типа с концентрическими обмотками.



 кВА, (1.1)

 кВА.



1.2 Фазные напряжения и токи:



 В. (1.2)

 В. (1.2 a)

 А. (1.2 б)

 А.

 А. (1.2 в)

 А.



1.3 Активная и реактивные составляющие напряжения КЗ



 (1.3)





 (1.3 а)


2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ТРАНСФОРМАТОРА



2.1 Выбор плотности тока в обмотках



Так как материалом обмоток является медь, то для нее плотность тока следует выбирать в пределах 2-3,5 А/мм2.

Пусть Δ = 3.0 А/мм2.



2.2 Определение диаметра стержня



,

 мм (2.2)



Принимаем d = 0,42 м.

Задаем величину магнитной индукции в стержне



 = 1,35 Тл.



2.3 Расчет числа витков обмотки НН



 (2.3)

.



Где см2;

 – определяем по эскизу ступенчатого стержня.

K32=0.95 – коэффициент заполнения.





Рисунок 1 – Эскиз ступенчатого стержня



2.4 Расчет числа витков обмотки ВН



 (2.4)





2.5 Определение коэффициента трансформации и уточнение числа витков обмотки ВН



 (2.5)





Проверим коэффициент трансформации по отношению фазных напряжений



, (2.5a)





Величины получились настолько близкие, что пересчитывать число витков нет необходимости.

Определение регулировочных витков обмотки ВН

В соответствии с заданием, обмотка ВН должна позволять ступенчато регулировать витки выше номинального значения и ниже его. Сделать соответствующую отпайку для регулирования витков вниз от номинала можно всегда, а для того, чтобы увеличить количество витков, их нужно дополнительно зарезервировать (предусмотреть) в обмотке ВН. Соответствующие расчеты сведем в таблице 1.



Таблица 1 – Расчет регулировочных витков обмотки ВН

Регулир.

-5 %

-2.5 %

Номинал

+2.5 %

+5 %

WВН

1700

1744

1789

1834

1878



2.6 Площадь поперечного сечения одного витка обмотки ВН



 (2.6)

мм2.



Далее необходимо выбрать стандартное значение обмоточного провода. Принимаем стандартное значение площади поперечного сечения провода обмотки ВН мм2.

Площадь поперечного сечения витка обмотки НН



 (2.6a)

 мм2.



Принимаем стандартное значение площади поперечного сечения провода обмотки НН равным 28,95 мм2. 





Рисунок 2 – Коэффициент заполнения окна трансформатора обмоточной медью



Коэффициент заполнения окна трансформатора обмоточной медью (без изоляции):

По графику, показанному на рисунке 2 определяем = 0,29; = 0,36.


2.7 Площадь поперечного сечения обмотки НН



 (2.7)

 см2.



2.8 Площадь поперечного сечения обмотки ВН (с учетом + 5 % регулировочных витков):



 (2.8)

см2.



2.9 Расчет размеров главной изоляции окна трансформатора (в соответствии с рисунком 3)



Выпишем главные изоляционные промежутки для нашего случая: , см (с учетом емкостных и прессующих колец); , см; , см; , см; , см.

Для расчетов целесообразно принимать следующие соотношение главных изоляционных промежутков 

Примем предварительно отношение высоты обмотки НН к ее ширине равным  В этом случае .




Рисунок 3 – Эскиз окна



После чего находим:



 (2.9)

 см.

 см.

 (2.9 a)

 см.


2.10 Высота стержня равна:



 (2.10)

 см.



2.11 Расстояние между соседними стержнями (ширина окна трансформатора)



 (2.11)

 см.


3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕСА АКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ



3.1 Средняя длина витка обмотки НН



 (3.1)

 см.



3.2 Средняя длина витка обмотки ВН



 (3.2)

см.



3.3 Масса обмотки НН



 (3.3)





где γ = 8,9, кг/дм3 – удельный вес меди.



3.4 Масса обмотки ВН



 (3.4)

кг.



3.5 Общий вес обмоточной меди



 (3.5)

 кг.

3.6 Вес стержней магнитопровода



 (3.6)

 кг,



где γс = 7,65, кг/дм3 – удельный вес электротехнической стали.



3.7 Вес верхнего и нижнего ярма



 (3.7)

 кг,



где длина ярма , а площадь поперечного сечения ярма в данном случае принята равной площади поперечного сечения стержня.



3.8 Вес участков сопряжения стержней и ярм магнитопровода



 (3.8)

 кг.



3.9 Общий вес стали магнитопровода



 (3.9)

 кг.


4. РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК

трансформатор электрический магнитопровод обмотка

4.1 Расчет потерь холостого хода, Вт



 (4.1)

 Вт.



Данная величина получилась на 2,7 % больше, чем в задании. Эту величину следует признать удовлетворительной, так как погрешность не превышает допустимой.



4.2 Расчет реактивной составляющей тока холостого хода



 (4.2)





4.3 Расчет активной составляющей тока холостого хода:



 (4.3)

%.



4.4 Расчет тока холостого хода



, %.


Данная величина получилась больше, чем в задании на 14 %, что вполне допустимо, так как погрешность не превышает допустимой.



4.5 Расчет потерь КЗ в обмотках:



 (4.5)

 Вт.



4.6 Расчет потерь в отводах:



 (4.6)

 Вт.



4.7 Расчет потерь в стенках бака можно провести по (31) или так



 (4.7)

, Вт.



4.8 Расчет потерь КЗ



 (4.8)

 = 79810 + 86 + 4500 = 84400, Вт.



4.9 Расчет активной составляющей напряжения КЗ



 (4.9)

%.



4.10 Расчет реактивной составляющей напряжения КЗ



 (4.10)

 (4.10 а)

 (4.10 б)

 см.



 см.



тогда:







4.11 Расчет напряжения КЗ



, (4.11)

,%.


Данная величина получилась больше той, что оговорена заданием, однако погрешность равна 1,6 %, что меньше допустимой погрешности 5 % в данном случае.



4.12 Расчет данных к построению внешней характеристики.



Поскольку внешняя характеристика является, по сути, прямой линией, то для ее построения достаточно определить две точки. Расчет следует вести для двух значений коэффициента мощности 0,8 и 1,0. Начальная точка внешней характеристики (холостой ход) будет общей для обеих характеристик: при холостом ходу величина напряжения равна 100 %.

Рассчитаем изменение напряжения под нагрузкой при  по известной формуле



, (4.12)

%.

Если ,

,%.



Для большей наглядности эти две линейные зависимости следует построить на общем графике.





Рисунок 4 – Внешняя характеристика трансформатора.


4.13 Расчет кривой КПД в зависимости от нагрузки



 (4.13)



Результаты расчетов кривых КПД в зависимости от коэффициента нагрузки приведем в таблице 2 для двух значений коэффициента мощности 1,0 и 0,8.



Таблица 2 – Результаты расчетов кривых КПД



η

98,169

99,105

99,14

99,13

99,08

99,02

98,95

98,87

98,78

98,7

kН

0,1

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1



η

98,53

99,28

99,31

99,3

99,26

99,21

99,16

99,09

99,03

98,95



Рассчитанные зависимости КПД следует представить на графике. Учитывая то обстоятельство, что форма этих характеристик и их вид подобны, приведем только зависимость с коэффициентом мощности, равным 0,8, как наиболее характерной величиной для практики эксплуатации трансформаторов. Такая характеристика приведена на рисунке 5.





Рисунок 5 – Зависимость КПД рассчитываемого трансформатора от величины нагрузки при коэффициенте мощности 0,8 (индуктивный)

5. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРА



Определение геометрических размеров бака



5.1 Общая высота магнитопровода трансформатора



 (5.1)

 м.



5.2 Внешний диаметр обмотки ВН



 (5.2)

42 + 2(2 + 6,798 + 2+8,856) = 81,30 см.



5.3 Общая длина магнитопровода трансформатора с обмотками



+ 2(2 + 6,798 + 2 + 8,856) = 247,527 см. (5.3)



5.4 Габаритные размеры активной части трансформатора



 (5.4)

=115,6∙247,5∙81,3 см.



5.5 В соответствии с таблицей 10 высота бака равна



 (5.5)

115,6 + 95 =210,6 см.




5.6 Расстояние от обмотки ВН до стенки бака с широкой стороны в соответствии с рекомендациями



15 см 115/35 = 49 см.



5.7 Расстояние от обмотки ВН до округленной части бака



49/2 = 24,5 см.



5.8 Длина бака = 247,5 + 49 = 296,5 см.



5.9 Ширина бака = 81,3 + 49 2 = 179,3 см.



5.10 Площадь боковой поверхности бака



(периметр бака) (5.10)

3,472(0,5832 + π 1,79) = 23,563 м2.



5.11 Площадь поверхности верхней крышки



 м2. (5.11)



При определении площади охлаждения радиаторов (таблица 12) подходит размер А = 2000 мм (так как высота бака 210,6 мм). На нашем баке можно разместить до 10 радиаторов, что было проверено на предварительном эскизе системы охлаждения. Выбираем количество радиаторов (), равное 7.


5.12 Общая площадь поверхности охлаждения в этом случае равна:



 (5.12)

7∙18,9 + 23,563 + 0,75∙3,56 = 158,533 м2.



5.13 Удельные потери в трансформаторе



, (5.13)

 Вт/м2.



5.14 Средний перегрев масла



, ˚С. (5.14)



5.15 Отношение центров высот для определения поправки по таблице из литературы



Центр потерь = 115,6/2=57,8 см.

Центр бака 247,5/2 = 123,75 см.

Отношение 57,8/123,75 = 0,47. Для этой величины поправка приблизительно равна 2,8 ˚С.



5.16 Максимальная температура верхних слоев масла:



 (5.16)

˚С.


Полученная величина меньше допустимой 60˚С, поэтому расчет считаем оконченным.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ



В последние годы отечественное трансформаторостроение продолжало увеличивать выпуск силовых трансформаторов, с одновременным расширением шкал мощностей и напряжений. Мощность трехфазного трансформатора в одной единице достигло 1000 МВА, высшее напряжение трансформатора 1150 кВ. Проектируются и выпускаются заводами серии трансформаторов с новыми конструкциями магнитных систем, обмоток и систем охлаждения. Совершенствуется технология производства трансформаторов. Развиваются работы по исследованию полей рассеяния, добавочных потерь в трансформаторах, механических сил при коротких замыканиях, систем охлаждения и др. Разрабатываются новые методы расчета различных параметров трансформаторов с широким использованием находящихся в распоряжении научных учреждений и заводов средств вычислительной техники, новых программных продуктов.

В последние время ведутся работы по исследованию магнитного поля рассеяния и электрического поля трансформатора. В результате этих исследований разрабатываются методы расчета добавочных потерь в обмотках и конструктивных сталях трансформатора и методы расчета механических сил на основе расчета поля рассеяния, а также расчета изоляции трансформатора на основе расчета электрического поля. Расчетные методики для этих явлений отличаются большой сложностью, как правило, требуют применения средств вычислительной техники и новейших программных продуктов, позволяющих проводить расчеты численными методами, в частности, методом конечных элементов.




СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ



1 Проектирование электрических машин: Учеб. пособие для вузов/ И. П. Копылов, Ф. А. Горяинов, Б. К. Клоков и др.; под ред. И. П. Копылова. – М.: Энергия, 1980. – 496 с., ил.

2 Расчет трансформаторов: Учеб. пособие для вузов/ Тихомиров П. М. – 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 528 с.: ил.

3 Проектирование силовых трансформаторов для автоматизированных систем электроснабжения: учеб. пособие / А. В. Кононенко, Д. А. Тонн. Воронеж: ГОУВП "Воронежский государственный технический университет", 2007. – 126 с.