Размещено на http://www.allbest.ru/

ОГЛАВЛЕНИЕ

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. Основные электрические величины
• 2. Определение основных размеров трансформатора
• 3. Расчет обмоток трансформатора
• 4. Расчет цилиндрической обмотки 1 из провода прямоугольного сечения
• 5. Расчет многослойной цилиндрической обмотки 2 из провода круглого сечения
• 6. Параметры и относительное изменение напряжения трансформатора
• 7. Механические силы в обмотках при коротком замыкании
• 8. Расчет магнитной системы трансформатора
• 9. Коэффициент полезного действия
• БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ВВЕДЕНИЕ

Трансформаторы-это наиболее распространённые устройства в современной электротехнике. Трансформаторы большой мощности составляют основу систем передачи электроэнергии от электростанций в линии электропередачи. Они повышают напряжение переменного тока, что необходимо для экономной передачи электроэнергии на значительные расстояния. В местах распределения энергии между потребителями применяют трансформаторы, понижающие напряжение до требуемых для потребителей значений. Наряду с этим, трансформаторы являются элементами электроустановок, где они осуществляют преобразование напряжения питающей сети до значений необходимых для работы последних.

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более обмоток связанных индуктивно, и предназначенные для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока. Обмотку, присоединённую к питающей сети, называют первичной, а обмотку, к которой подсоединяется нагрузка-вторичной. Обычно все величины, относящиеся к первичной обмотке трансформатора помечают индексом 1, а относящиеся к вторичной-индексом 2.

Первичную обмотку трансформатора подсоединяют к питающей сети переменного тока. Ток первичной обмотки I₁ имеет активную и индуктивную составляющие. При разомкнутой вторичной обмотке (холостой ход), вследствие действия индуктивной составляющей тока I_Ом, возникает магнитный поток, который намагничивает сердечник. Активная составляющая тока I определяется потерями, возникающими, в местах стали, при перемагничивании сердечника. Наибольшая часть потока Ф₁ сцеплённого с первичной обмоткой, сцеплена также со всеми обмотками фазы и является потоком взаимоиндукции между обмотками, или главным рабочим потоком Ф. Другая часть полного потока Ф₁ сцеплена не со всеми витками первичной и вторичной обмоток. Её называют потоком рассеивания.

ЭДС обмотки пропорциональна числу её витков. Отношение ЭДС первичной и вторичной обмоток называется коэффициентом трансформации, который пропорционален отношению чисел витков первичной и вторичной обмоток.

Устройство силовых трансформаторов

Трансформаторы имеют магнитопроводящие сердечники и токопроводящие обмотки. Для лучшего охлаждения сердечники и обмотки мощных трансформаторов погружаются в бак, наполненный маслом. Сердечники трансформаторов состоят из стержней, на которых размещаются обмотки, и ярм, которые служат для проведения потока между стержнями. Различают два вида сердечников: стержневой и броневой.

Броневой сердечник имеет разветвлённую магнитную систему, вследствие этого поток в ярме составляет половину от потока стержня, на котором расположены обмотки.

Трёхфазные трансформаторы выполняются обычно стержневыми. Их сердечники состоят из расположенных в одной плоскости трёх стержней, соединённых ярмами. Магнитная система таких трансформаторов несколько несимметрична, так как магнитная проводимость потока крайних стержней и среднего - является неодинаковой.

Вследствие изменения потока, в контурах стали сердечника индуктируется ЭДС, вызывающая вихревые токи, которые стремятся замкнуться по контуру стали, расположенному в поперечном сечении стержня. Для уменьшения вихревых токов, сердечники трансформатора набираются (шихтуются) из изолированных прямоугольных пластин электротехнической стали толщиной 0.5мм или 0.35мм. Для уменьшения зазоров в местах стыков, слои сердечника, набранные различными способами, чередуются через один. После сборки, листы верхнего ярма вынимаются и на стержнях устанавливаются обмотки, после чего ярмо вновь зашихтовывается. Листы сердечника изолируются лаком или бумагой, имеющей толщину 0.03мм, и стягиваются при помощи изолированных шпилек.

В большинстве случаев в трансформаторах электропередач применяются так называемые концентрические обмотки, имеющие вид размещённых концентрически (одна в другой) полых цилиндров. Обычно ближе к сердечнику размещается обмотка низшего напряжения, требующая меньшей толщины изоляции сердечника.

По способу охлаждения трансформаторы разделяются на масляные, обмотки которых погружены в масло и сухие, охлаждаемые воздухом. Мощные силовые трансформаторы имеют масляное охлаждение. Трансформатор в большинстве случаев не является полностью твёрдым телом, а содержит большое количество жидкого масла, которое оказывает значительное влияние на теплопередачу.

В большинстве случаев в трансформаторах электропередач применяются так называемые концентрические обмотки, которые имеют вид размещённых концентрически полых цилиндров (одна в другой). Обычно ближе к сердечнику размещается обмотка низшего напряжения, требующая меньшей толщины изоляции сердечника.

В трансформаторах мощностью до 560 кВА концентрическая обмотка выполняется по типу цилиндрической обмотки, в большинстве случаев имеющей два слоя. Слои обмотки выполняются из провода круглого или прямоугольного сечения. Провод наматывается впритык по винтовой линии вдоль образующей цилиндра.

В трансформаторах больших мощностей концентрическая обмотка низшего напряжения выполняется по типу винтовой, в которой между двумя соседними по высоте витками оставляется канал.

Курсовая работа по дисциплине «Электрические машины и аппараты» выполняется с целью закрепления и углубления знаний и выработки умения применять теоретической материал для решения конкретных практических задач.

Графическая часть включает общий вид трансформатора в двух проекциях, конструкции обмоток (разрез одной фазы), схемы обмоток выводов, экспликация деталей и узлов начерченных на листе формата А1.

1. Основные электрические величины

Номинальные фазные напряжения:

В;

В;

Номинальные линейные токи:

А;

А;

Номинальные фазные токи

А;

А.

Расчет трансформатора ведется для обмотки с медными проводами;

2. Определение основных размеров трансформатора

Металл провода обмоток - Медь;

Марка стали сердечника - 1514;

Толщина листов стали - 0,5 мм;

Удельные потери в стали --р₁₀= 1,15 Вт/кг;

Магнитная индукция в стержнях

В_с=1,55 Тл;

Средняя плотность тока в обмотках

j = 4 А/мм²;

Отношение веса стали к весу металла обмоток

.

ЭДС на один виток

В/виток.

Число витков в обмотке 1

витков;

Число витков в обмотке 2

витков;

Уточненное значение ЭДС на виток

В/виток;

Площадь поперечного сечения стали стержня сердечника

см²;

Рисунок 1 Ступенчатая форма поперечного сечения стержня трансформатора

Число ступеней стержня сердечника n=6;

Число каналов в сердечнике - сердечник без каналов;

Коэффициент заполнения площади описанного круга площадью ступенчатой фигуры k_кр=0,875;

Изоляция стали - бумага;

Коэффициент заполнения ступенчатой фигуры сталью f_с=0,92;

Диаметр круга, описанного вокруг стержня сердечника

см.

Номинальная мощность обмотки 1 на стержень сердечника

кВА;

Номинальное напряжение обмотки 1 на стержень сердечника

В;

Номинальный ток обмотки 1 на стержень сердечника

А;

Число витков обмотки 1 на стержень сердечника витков;

Предварительная площадь поперечного сечения провода обмотки 1

мм²;

Тип обмотки 1 - цилиндрическая двухслойная из провода прямоугольного сечения;

Номинальная мощность обмотки 2 на стержень сердечника

кВА;

Номинальное напряжение обмотки 2 на стержень

В;

Номинальный ток обмотки 2

А;

Число витков обмотки 2 на стержень витков;

Предварительная площадь поперечного сечения провода обмотки 2

мм²;

Тип обмотки 2 - многослойная цилиндрическая из провода круглого сечения.

Испытательное напряжение обмотки 1

кВ;

Испытательное напряжение обмотки 2

кВ;

Изоляционный цилиндр между обмоткой 1 и сердечником ?_цо не предусматривается;

Полное расстояние между обмоткой 1 и стержнем сердечника

?_о=0,6 см;

Расстояние между обмоткой и ярмом

l_о=3 см;

Толщина изоляционного цилиндра в промежутке между обмотками 1 и 2

?_ц12=0,3 см;

Полное расстояние между обмотками 1 и 2

?₁₂=1,2 см;

Предварительная радиальная толщина обмотки 1

?₁=2,7 см;

Предварительная радиальная толщина обмотки 2

?₂=4 см;

Предварительное приведенное расстояние между обмотками

см.

Средний диаметр обмотки 1

см;

Средний диаметр обмотки 2

см;

Средняя длина витка обмоток

см.

Активная составляющая напряжения короткого замыкания

;

Индуктивная составляющая напряжения короткого замыкания

;

Высота обмоток по оси стержня сердечника

 см;

где k_р - коэффициент учитывающий переход от средней длины магнитных линии к действительной высоте обмотки по оси стержня.

Предварительный эскиз расположения обмоток в окне трансформатора представлен на рисунке 3.

Рисунок 2 Предварительный эскиз расположения обмоток в окне трансформатора

	D0	?0	?12	?1	?2	l0	l1=l2	lc
Вариант с медными обмотками	18,7	0,6	1,2	2,7	4	3	30	36

Высота окна сердечника

см.

Отношение высоты окна сердечника к диаметру стержня сердечника

.

Для обмоток из медного провода должно выполняться условие :

3. Расчет обмоток трансформатора

напряжение трансформатор замыкание

Уточнение средней плотности тока в обмотках

А/мм².

k_м - коэффициент учитывающий дополнительные потери в трансформаторе от потока рассеяния и в отводах трансформатора, при S до 110 кВА k_м=1,01-1,03.

Предварительная удельная тепловая загрузка поверхности обмотки

q₁=1300 Вт/м²;

Предварительная удельная тепловая загрузка поверхности обмотки 2

q₂=1000 Вт/м².

4. Расчет цилиндрической обмотки 1 из провода прямоугольного сечения

Предварительная плотность тока в обмотке 1

 А/мм²;

Площадь поперечного сечения провода обмотки 1

мм².

Число слоев n_в1=2;

Число витков в слое

витка;

Предварительная высота витка вдоль стержня сердечника

см;

Число цилиндрических поверхностей охлаждения обмотки

принимаем .

Окончательно по Приложению 1 принимаются следующие размеры провода

мм

намотка на «ребро»;

Число параллельных проводов

;

Площадь поперечного сечения провода

мм²;

Плотность тока в обмотке 1

А/мм²;

Толщина витка вдоль стержня сердечника

см;

Удельная тепловая загрузка поверхности обмотки 1

Вт/м²;

k_п - коэффициент частичного закрепления поверхности обмотки рейками образующими вертикальные каналы.

Радиальная толщина витка

см.

Высота обмотки 1 вдоль стержня сердечника

 см;

Радиальная толщина вертикального канала между двумя слоями обмотки 1

а_к=0,5 см;

Радиальная толщина обмотки 1

см.

Средний диаметр обмотки 1

см;

Средняя длина витка обмотки 1

см;

Вес металла обмотки 1

кг,

где - удельный вес обмоточного провода.

Потери в обмотке 1 без учета добавочных потерь

Вт;

Сумма толщин всех проводов без изоляции обмотки 1 вдоль стержня

см;

Полное число проводов обмотки 1 вдоль радиуса

;

Коэффициент увеличения потерь в обмотке 1 от поверхностного эффекта

;

Потери в обмотке 1 с учетом добавочных потерь

Вт.

5. Расчет многослойной цилиндрической обмотки 2 из провода круглого сечения

Плотность тока в обмотке 2

А/мм²;

Площадь поперечного сечения провода обмотки 2

 мм².

Если S_м2>9,79 мм² наматывается из двух параллельных проводов.

Число параллельных проводов в обмотке 2

;

Диаметр голого и изолированного провода (Приложение 2)

мм;

Марка изоляции провода - ПБ;

Площадь поперечного сечения провода обмотки 2

мм²;

Плотность тока в обмотке 2

А/мм²;

Расчетный диаметр изолированного провода обмотки 2

см;

Толщина витка вдоль стержня сердечника

см;

Число витков в одном слое обмотки

Число слоев обмотки 2

,

что нежелательно; принимаем ;

Окончательное число витков в слое

,

т.е. 7 слоев по 128 витков и 1 слой из 124 витков, т.е. всего витков;

Рабочее напряжение между двумя слоями

В;

Толщина междуслойной изоляции

?_мсл=0,036 см;

Выступ междуслойной изоляции на торцах обмотки 2 равен 1,6 см;

Число цилиндрических поверхностей охлаждения обмотки 2 на стержень сердечника

принимаем ;

Удельная тепловая загрузка поверхности обмотки 2

Вт/м².

Число слоев и витков в слое во внутренней катушке - 4 слоя по 128 витков в слое;

Число слоев и витков в слое в наружной катушке - 3 слоя по 128 витков и 1 слой из 124 витков;

Радиальная ширина вертикального канала между двумя концентрическими катушками обмотки 2

а_к2=0,5 см;

Радиальная толщина обмотки 2

см;

Высота обмотки 2

см.

Примечание: Обмотку 2 разогнать до высоты см.

Уточнение приведенного расстояния

см,

где - приведенное расстояние между обмотками из позиции 8, см;

- высота обмоток из позиции 9, см.

Уточнение действительного расстояния между обмотками 1 и 2

см;

Средний диаметр обмотки 2

см;

Средняя длина витка обмотки 2

см;

Вес металла обмотки 2

кг.

Потери в обмотке 2 без учета добавочных потерь

Вт;

Коэффициент увеличения потерь в обмотке 2 от поверхностного эффекта



;

Потери в обмотке 2 с учетом добавочных потерь

Вт.

6. Параметры и относительное изменение напряжения трансформатора

Потери короткого замыкания

Вт,

т.е. на 46 % меньше заданного.

Активная составляющая напряжения короткого замыкания

%;

Приведенное расстояние между обмотками

см;

Коэффициент, учитывающий переход от средней линии магнитных силовых линий потоков рассеяния к высоте обмоток

;

Средняя длина витка обмоток 1 и 2

см;

Индуктивная составляющая напряжения короткого замыкания

%;

Напряжение короткого замыкания

%

т.е. отличается от заданного на 22.,4%.

Активное сопротивление обмотки 1

Ом;

Активное сопротивление обмотки 2

Ом;

Активная составляющая сопротивления короткого замыкания, приведенная к числу витков обмотки 1

Ом;

Индуктивная составляющая сопротивления короткого замыкания, приведенная к числу витков обмотки 1

Ом;

Процентное изменение напряжения при номинальной нагрузке (?= 1) и cos ? = 0,8

%.

7. Механические силы в обмотках при коротком замыкании

Установившийся ток к. з. в обмотках

А;

А;

Максимальное значение тока к. з. в обмотке 2

А;

Суммарная радиальная сила при к.з.

кг;

Разрывающее напряжение в проводе обмотки 2

кг/см², так как ?<500-600 кг/см³.

8. Расчет магнитной системы трансформатора

Принимаем: запрессовка стержней сердечника выполнена клиньями между сердечником и обмоткой 1; сердечник без каналов; Ширина пакетов стержней сердечника:

см;

см;

см;

см;

см;

см;

Толщина пакетов стержня сердечника (в сердечнике нет каналов):

см;

см;

см;

см;

см;

см;

Площадь поперечного сечения ступенчатой фигуры стержня сердечника

см²;

Площадь поперечного сечения стали стержня сердечника

см²;

Магнитная индукция в стали стержня сердечника

Тл.

Коэффициент увеличения площади поперечного сечения стали ярма

k_я=1,05;

Поперечное сечение стали ярма

см²;

Магнитная индукция в стали ярма

Тл;

Высота ярма сердечника

см;

Толщина ярма перпендикулярно листам стали

см.

Наружный диаметр обмотки 2

см;

Расстояние между осями стержней сердечника

см;

Рисунок 3 Эскиз магнитной системы трансформатора

Длина ярма сердечника

см;

Длина стержней сердечника

см.

Вес стали стержней сердечника

кг;

Вес стали ярем сердечника

кг;

Полный вес стали сердечника

кг.

Вес металла обмоток

кг;

Отношение веса стали к весу металла обмоток

.

Потери в стали стержней сердечника

Вт;

Потери в стали ярем сердечника

Вт;

Полные потери в стали сердечника (потери холостого хода)

Вт,

т.е. на 22% меньше заданного

Сборка сердечника - в переплет;

Число зазоров в сердечнике крайней фазы с магнитной индукцией В_с

;

Число зазоров в сердечнике крайней фазы с магнитной индукцией В_я

;

Амплитуда намагничивающего тока крайней фазы обмотки 1

А;

Число зазоров в сердечнике средней фазы с магнитной индукцией В_с

;

Число зазоров в сердечнике средней фазы с магнитной индукцией В_я

;

Амплитуда намагничивающего тока средней фазы обмотки 1

А;

Среднее значение амплитуды намагничивающего тока для трех фаз

А.

Реактивная составляющая фазного тока холостого хода обмотки 1

А.

Реактивная составляющая фазного тока холостого хода по упрощенному методу расчета

А;

Реактивная составляющая линейного тока холостого хода по упрощенному методу расчета

А.

Активная составляющая фазного тока холостого кода обмотки 1

А;

Фазный ток холостого хода

А;

Линейный ток холостого хода обмотки 1

А;

Линейный ток холостого хода в процентах от номинального тока

%,

т.е. на 21 % больше заданной величины

9. Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия при номинальной нагрузке и cos ?₂ = 0,8

%;

Кратность тока нагрузки, при которой коэффициент полезного действия максимальный

;

Максимальное значение КПД при cos ?₂ = 0,8

%.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов. - М.: Энергия , 1968. - 455 с.

2. Дружинин В.В. Магнитные свойства электротехнической стали. - М.: ТЭИ, 1962. - 320 с.

3. Сергеев П.С., Виноградов Н.В., Горяинов Ф.А. Проектирование электрических машин. - М.: Энергия , 1969. - 632 с.

4. Ермолин Н.П., Швец Г.Г. Расчет силовых трансформаторов. Пособие по курсовому проектированию. - Ленинград.: ЛЭТИ, 1964.

Размещено на Allbest.ru