Конструктивная разработка электрической машины или трансформатора

СОДЕРЖАНИЕ Введение Исходные данные

1.Определение основных электрических величин

1.1 Определение линейных и фазных токов и напряжений обмоток ВН и НН

1.2 Определение испытательных напряжений обмоток

1.3 Определение активной и реактивной составляющих напряжения короткого замыкания

2. Расчет основных размеров трансформатора

2.1 Выбор схемы и конструкции сердечника

2.2 Выбор марки и толщины листов стали и типа междулистовой изоляции. Выбор индукции в сердечнике

2.3 Выбор материала обмоток

2.4 Выбор конструкции и определение размеров основных изоляционных промежутков главной изоляции обмоток

2.5 Предварительный расчет трансформатора и выбор коэффициента соотношения основных размеров

2.6 Определение диаметра стержня и высоты обмотки. Предварительный расчет сердечника

3. Расчет обмоток НН и ВН

3.1 Выбор типа обмоток НН и ВН

3.2 Расчет обмотки НН

3.3 Расчет обмотки ВН

4. Определение характеристик короткого замыкания

4.1 Определение потерь короткого замыкания

4.2 Определение напряжения короткого замыкания

4.3 Определение механических сил в обмотках

5. Окончательный расчет магнитной системы. Определение характеристик холостого хода

5.1 Определение размеров пакетов и активных сечений стержня и ярма

5.2 Определение веса стержня и ярм и веса стали

5.3 Определение потерь холостого хода

5.4 Определение тока холостого хода

6. Тепловой расчет и расчет охладительной системы

6.1 Поверочный тепловой расчет обмоток

6.2 Расчет охладительной системы (бака и охладителей)

6.3 Определение превышения температуры обмоток и масла над воздухом

6.4 Определение веса масла и основных размеров расширителя

Список литературы

Введение Интенсивный рост энергосистем требует значительного повышения мощности и улучшения качества выпускаемых трансформаторов. Поэтому исключительно важное значение имеет вопрос о рациональном проектировании и производстве трансформаторов общего и специального назначения.

Целью данного курсового проекта является изучение основных методов расчета и конструктивной разработки электрической машины или трансформатора. В курсовом проекте производится расчет основных размеров трансформатора, расчет обмоток, определение характеристик холостого хода и короткого замыкания, расчет магнитной системы, а также тепловой расчет и расчет охладительной системы.

напряжение замыкание трансформатор обмотка Исходные данные

1.Определение основных электрических величин

1.1 Определение линейных и фазных токов и напряжений обмоток ВН и НН.

Мощность одной фазы трансформатора:

кВА.

Мощность на одном стержне:

кВА.

Номинальные (линейные) токи:

А — на стороне ВН.

А — на стороне НН.

Фазные токи:

А — на стороне ВН.

А — на стороне НН.

Фазные напряжения:

кВ — для обмотки ВН.

кВ — для обмотки НН.

1.2 Определение испытательных напряжений обмоток Испытанное напряжение трансформатора определяем по табл.4.1.а [2]

Для обмотки ВН (класс напряжения 110 кВ) кВ.

Для обмотки НН (класс напряжения 35 кВ) кВ.

1.3 Определение активной и реактивной составляющих напряжения короткого замыкания Активная составляющая напряжения короткого замыкания:

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:

2. Расчет основных размеров трансформатора Рис. 1. Схематическое изображение трансформатора и его основных размеров.

2.1 Выбор схемы и конструкции сердечника Согласно указаниям § 2.3 [2], выбираем трехфазную стержневую шихтованную магнитную систему с косыми стыками.

Сечение стержня по табл.2.5 выбираем с 14 ступенями, без прессующей пластины.

Выбор марки и толщины листов стали и типа межлистовой изоляции. Выбор индукции в сердечнике.

Согласно рекомендациям выбираем марку стали и её параметры. Для изготовления магнитопровода принимаем рулонную холоднокатаную сталь марки 3404 с толщиной листов 0,35 мм с нагревостойким покрытием. Коэффициент заполнения kЗ = 0,96.

Величину индукции принимаем BС = 1,6 Тл.

2.3 Выбор материала обмоток

В качестве материала для обмоток высокого и низкого напряжения принимаем медный обмоточный провод марки ПБ.

2.4 Предварительный расчет трансформатора и выбор коэффициента соотношения основных размеров

Величина определяет соотношение между шириной и высотой трансформатора. По табл.4.1 в соответствии с классом напряжения трансформатора и его мощностью, принимаем .

2.5 Определение диаметра стержня и высоты обмотки. Предварительный расчет сердечника Первый основной размер трансформатора — диаметр стержня сердечника:

см где — коэффициент Роговского,

— частота, Гц

— общий коэффициент заполнения активным сечением стали площади круга .

— приведенная ширина канала рассеяния.

следовательно:

см Тогда диаметр стержня:

cм.

Затем принимается нормализованный диаметр стержня по шкале нормализованных диаметров.

cм Второй основной размер трансформатора — средний диаметр канала между обмотками:

см где — радиальный размер обмотки НН

— коэффициент, согласно указаниям принимаем

см Следовательно, диаметр канала между обмотками:

см.

Третий основной размер трансформатора — высота обмотки:

см.

Активное сечение стержня:

см2.

ЭДС одного витка:

В.

3. Расчет обмоток НН и ВН.

3.1 Выбор типа обмоток НН и ВН Ориентировочное сечение витка каждой обмотки определяется по формуле:

ммІ

где — средняя плотность тока в обмотках ВН и НН.

А/ммІ

— коэффициент, учитывающий наличие добавочных потерь, по табл.5.1. 1] выбираем

Тогда А/мм2

Ориентировочные сечения витков:

Для обмотки НН: мм2

Для обмотки ВН: мм2

Для обмотки ВН и НН — многослойную цилиндрическую обмотку из прямоугольного провода.

3.2 Расчет обмотки НН Число витков на одну фазу обмотки НН определяется:

виток.

Уточненная ЭДС одного витка:

В.

Действительная индукция в стержне:

Тл.

Толщина изоляции на 2 стороны: мм.

Полное сечение витка:

Полученная плотность тока:

А/мм2

Число витков в слое:

витков Осевой размер обмотки:

см Радиальный размер 2-х слойной обмотки:

.

Внутренний диаметр обмотки:

см.

Наружный диаметр обмотки:

см.

Площадь поверхности охлаждения:

м2.

3.3 Расчет обмотки ВН Согласно ГОСТ 401- 41 обмотка ВН силовых масляных трансформаторов — трехфазных 6300−125 000 кВА, с регулированием на ±16%, от номинального напряжения ([2]). Схема регулирования приведена на рис. 2.

Рис 2. Схема регулирования обмотки ВН Число витков при номинальном напряжении:

витков.

Обычно ступени регулирования напряжения делаются равными между собой, что обуславливает равенство числа витков на стержнях.

Напряжение между двумя отводами:

кВ.

Число витков на одну ступень регулирования:

витков.

Принимаем число витков на одну ступень витков.

Число витков на верхней ступени:

витков.

Число витков в нижней ступени:

виток.

Плотность тока в обмотке ВН предварительно определяется:

А/мм2.

Сечение витка обмотки ВН предварительно:

мм2.

Полное сечение витка:

мм2.

Плотность тока в обмотке:

А/мм2.

Осевой размер обмотки ВН принимается равным ранее определенному осевому размеру обмотки НН:

см Число витков в слое:

витков.

Округляем: витков.

Число слоев в обмотке:

слоев.

Округляем: =24 слоев Толщина междуслойной изоляции согласно таблице 3.6 [1]:

мм.

Радиальный размер обмотки без экрана:

см.

Внутренний диаметр обмотки:

см.

Наружный диаметр обмотки:

см.

Для обмотки, состоящей из двух катушек с осевым каналом между ними, внутренняя катушка намотана непосредственно на цилиндр, — три поверхности охлаждения (коэффициент К = 0,75)(Согласно указаниям пункту 6−3[2]):

м2.

4. Определение характеристик короткого замыкания

4.1 Определение потерь короткого замыкания а) Определение электрических потерь в обмотках.

Средние диаметры обмоток:

— обмотки НН: см.

— обмотки ВН: см.

Вес провода для обмоток ВН и НН рассчитываем по формуле (для медного провода):

кг

— обмотка НН:

кг

— обмотка ВН: кг

Электрические потери в обмотках:

— в обмотке НН: Вт.

— в обмотке ВН: Вт.

б) Определение добавочных потерь.

Определение добавочных потерь в обмотках практически сводится к расчёту коэффициента увеличения основных электрических потерь обмотки. Этот коэффициент подсчитывается отдельно для каждой обмотки трансформатора.

Коэффициент добавочных потерь:

Для медного прямоугольного провода при (обмотка НН):

Где n — число проводов обмотки в радиальном направлении;

для цилиндрических обмоток n = nсл =2;

где коэффициент

Следовательно,

Для провода ВН обмотки :

где коэффициент Следовательно,

в) Определение электрических потерь в отводах.

Длина отводов приближенно определяется:

см.

см.

Вес металла отводов:

Для НН: кг.

Для ВН: кг.

где г = 8,9 кг/дм3 — удельный вес металла отводов (для меди).

Электрические потери в отводах:

Вт.

Вт.

г) Определение потерь в стенках бака и других стальных деталях трансформатора.

Вт где К — коэффициент, который находится по табл.6.1[1], принимаем

К = 0,03

д) Определение полных потерь короткого замыкания.

Полные потери К. З.:

31 240+43550+238.31+44.66+8000

кВт Определим соотношение полученной и заданной величин мощности к. з.:

4.2 Определение напряжения короткого замыкания Активная составляющая напряжения короткого замыкания:

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:

%

где — ширина приведенного канала рассеяния:

Реактивная составляющая:

Напряжение короткого замыкания:

Проверка отклонения полученного значения uK от заданного:

4.3 Определение механических сил в обмотках Определяем действующее значение установившегося тока короткого замыкания:

Согласно таблице 7.1 принимаю Sk=15 000 МВА.

Определяем ударный ток КЗ:

Найдем механические радиальные силы в обмотках:

Напряжение сжатия в проводе обмотки НН:

МПа.

Напряжение на разрыв в наружной обмотке ВН:

МПа.

Осевые силы в обмотках:

НН:

ВН:

Температура обмотки через после возникновения короткого замыкания:

°С где — наибольшая продолжительность к. з., в соответствии с указаниями [2], принимаем с.

— начальная температура обмотки, °С ВН НН По табл. 7.6 допустимая температура .

5. Окончательный расчет магнитной системы. Определение характеристик холостого хода

5.1 Определение размеров пакетов и активных сечений стержня и ярма Принята конструкция трёхфазной плоской шихтованной магнитной системы, собираемой из пластин холоднокатаной стали марки 3404, толщиной 0,35 мм. Стержни магнитной системы скрепляются без прессующей пластины с прессовкой стержня обмоткой без бандажей. Размеры пакетов выбраны по табл. 8.2[1] для стержня диаметром 0,5 м. Число ступеней в сечении стержня 14 в сечении ярма 11.

Размеры пакетов в сечении стержня и ярма по табл. 8.1 [1]:

Рис. 3. Ступенчатая форма ярма.

Площадь ступенчатой фигуры сечения стержня по табл.8.5 [1]

ПФС = 1479,2 см² и ярма ПФЯ = 1500,2 см², объем углаVу = 56 560 см³

Активное сечение стержня:

см2

Активное сечение ярма:

см2

Объем стали угла магнитной системы:

см3

Ширина ярма:

Высота ярма:

5.2 Определение веса стержня и ярм и веса стали Длина стержня магнитной системы:

см.

Расстояние между осями стержней:

см.

где — расстояние между обмотками стержня, по табл. 4.5. [2], мм Масса стали угла магнитной системы:

кг.

кг/м3 — плотность трансформаторной стали Масса частей ярм, заключенных между осями крайних стержней:

кг.

Масса стали в частях ярм в углах:

кг.

Полная масса стали ярм:

кг.

Масса стали стержней магнитной системы:

кг.

Масса стали в местах стыка пакетов стержня и ярма:

кг.

Общая масса стали стержней:

кг.

Общая масса стали плоской магнитной системы:

кг.

5.3 Определение потерь холостого хода Индукция в стержне:

Тл.

Индукция в ярме:

Тл.

Индукция на косом стыке:

Тл.

Площадь сечения стержня на косом стыке:

см2.

Для плоской магнитной системы с косыми стыками с многоступенчатым ярмом для определения потерь холостого хода применим выражение:

при Тл, Вт/кг, Вт/м2;

при Тл, Вт/кг, Вт/м2;

при Тл, Вт/м2.

Для определения потерь холостого хода применим выражение:

Вт где — коэффициент добавочных потерь, по табл. 8.14 [2],

— коэффициент увеличения потерь в углах, по табл. 8.13 [2],

кф — коэффициент, учитывающий число стержней; для трехфазного трансформатора равен 4.

Тогда потери холостого хода:

Погрешность:

5.4 Определение тока холостого хода По таблице 8.17 находим намагничивающие мощности:

при Тл, ВА/кг, ВА/м2;

при Тл, ВА/кг, ВА/м2;

при Тл, ВА/м2.

Для определения реактивной составляющей определяем полную намагничивающую мощность трансформатора, в соответствии с принятой конструкцией магнитной системы трансформатора может быть определена:

Коэффициенты КТ, Р=1,18 — коэффициент, учитывающий влияние резки полосы рулона на пластины, КТ, З=1,0 — коэффициент, учитывающий влияние срезания заусенцев, КТ, ПЛ=1,25 — коэффициент, учитывающий ширину пластин в углах магнитной системы (табл. 8.21 [2]), КТ, Я=1,0 — коэффициент, учитывающий форму сечения ярма (многоступенчатая), КТ, П=1,05 — коэффициент, учитывающий прессовку магнитной системы (табл. 8.12 [2]), КТ, Ш=1,06 — коэффициент перешихтовки, КТ, У=65,6 (табл. 8.20 [2]), выбираются согласно указаниям § 8.3. Таким образом, намагничивающая мощность:

Ток холостого хода:

Активная составляющая тока холостого хода:

Реактивная составляющая тока холостого хода:

Коэффициент полезного действия трансформатора:

6. Тепловой расчет и расчет охладительной системы

6.1 Поверочный тепловой расчет обмоток Внутренний перепад температуры:

обмотка НН (прямоугольный провод):

°С где — толщина изоляции на одну сторону, см

— теплопроводность изоляции провода, по табл.11.1 Вт/см °С

Полная охлаждаемая поверхность обмотки НН = 13.521 мІ (п. 3.2]):

— плотность теплового потока на поверхности обмотки:

Вт/мІ

Тогда °С Для обмотки ВН = 18.704 мІ (п. 3.3]):

Вт/мІ

°С

Средняя теплопроводность обмотки:

Вт/см °С где — средняя условная теплопроводность обмотки без учета междуслойной изоляции:

Вт/см °С Следовательно Вт/см °С Средний перепад температуры составляет 2/3 от полного перепада:

°С

°С Для цилиндрических обмоток из прямоугольного провода перепад на поверхности обмотки:

Для обмотки НН:

°С Для обмотки ВН:

°С Рассчитаем среднее превышение температуры обмоток над средней температурой масла:

°С

°С

6.2 Расчет охладительной системы (бака и охладителей) Рис. 4

По табл.9.4 в соответствии с мощностью трансформатора выбираем бак из гнутых труб с дутьём

Минимальная длина бака трехфазного трансформатора:

см Принимаем, А = 337 см при центральном положении активной части трансформатора в баке.

Минимальная ширина бака:

см Принимаем В = 164,2 см По табл. 9.5 минимальное расстояние от верхнего ярма до крышки бака:

см Высота выемной части:

см где n — толщина подкладки под нижнее ярмо, по принимаем n = 5 см Глубина бака:

см Принимаем Нб =258 см Так как из двух обмоток наиболее нагрета обмотка ВН, то среднее превышение температуры масла, омывающего обмотки над температурой воздуха, должно быть не более:

°С Среднее превышение температуры стенки бака над температурой воздуха будет меньше на величину перепада температуры между маслом и стенкой бака

°С где °С — по [1]

Полученное значение должно удовлетворять условию:

°С

°С Так как условие выполняется, то принимаем:

°С Поверхность излучения бака и крышки в предварительном расчете:

мІ

Поверхность конвекции бака:

мІ

По табл. 9.9 выбираем данные для бака с навесными охладителями:

Рис. 4. Трубчатый радиатор с гнутыми трубами.

Рис. 5. Схематичное расположение радиаторов на баке.

Количество радиаторов определяем по формуле:

6.3 Определение превышения температуры обмоток и масла над воздухом Среднее превышение температуры стенки бака над температурой окружающего воздуха:

°С Среднее превышение температуры масла вблизи стенки бака над температурой стенки бака:

°С Превышение температуры масла в верхних слоях над температурой окружающего воздуха:

°С Превышение температуры обмоток над температурой окружающего воздуха:

для НН: °С для ВН: °С

6.4 Определение веса масла и основных размеров расширителя Объем бака м3

Масса проводов:

кг Объем активной части:

м3

Объем масла в баке:

м3

Масса масла в баке:

кг Масса масла в трубах:

кг Общая масса масла:

кг Длина бака расширителя:

м Объем расширителя (10% от общего объема масла):

кг Требуемый объем бака расширителя:

м3

Площадь сечения бака расширителя:

мІ

Диаметр бака расширителя:

м Список литературы Сечин В. И. Расчет силовых трансформаторов. Учебное пособие.- Хабаровск: ДВГАПС, 1993.

Тихомиров П. М. Расчет трансформаторов.-М: Энергоатомиздат, 1986.