Расчет и выбор судовых силовых трансформаторов для полупроводниковых преобразователей

Масса ярм равна, кг,

для трехстержневого магнитопровода

,	(101)

для двухстержневого

,	(102)

где П_Ф,я -- площадь поперечного сечения ярма, см². Масса стали трехстержневого магнитопровода, кг,

.	(103)

Масса стали двухстержневого магнитопровода

.	(104)

5.12 Расчет коэффициента полезного действия трансформатора при номинальной нагрузке

Полная мощность трансформатора, подводимая к первичной обмотке

S = UI,

содержит активную P₁ и реактивную Q составляющие. Часть активной мощности ?P₁ расходуется на потери в обмотках, элементах конструкции и магнитопроводе трансформатора, а оставшаяся

P₂ = P₁ -- ?P₁

передается со вторичной обмотки потребителю; аналогично часть реактивной мощности ?Q расходуется на создание основного поля в магнитной системе и поля рассеяния, а оставшаяся

Q = Q₁ -- ?Q₁ передается в питаемую от трансформатора вторичную сеть.

Между полной, активной и реактивной мощностями существует зависимость P₁=S·cos?₁ и Q=S·sin?₁. Угол ?₁ определяется расходуемой реактивной мощностью и может быть рассчитан, если известны ток XX и напряжение КЗ трансформатора.

Действительно, если пренебречь активными составляющими тока XX () и напряжения КЗ (), то напряжения , где -- реактивная составляющая напряжения КЗ, В; U_1ном -- номинальное первичное напряжение, В.

Умножив обе части этого выражения на первичный номинальный ток I_1ном, получим

,

где Q_рac = U_рI_1ном -- реактивная мощность, расходуемая на создание поля рассеяния;

S₁ = I_1номU_1ном -- полная номинальная мощность трансформатора.

Таким образом, напряжением u_к определяется часть полной мощности трансформатора, расходуемой на рассеяние.

Аналогично

i_нам = I_нам·100/I_1ном,

где I_нам -- намагничивающий ток, равный при току XX, А. Умножив обе части дроби на первичное номинальное напряжение, получим

,

где Q_нам = I_намU_1ном -- реактивная мощность, расходуемая на намагничивание магнитопровода. Таким образом, током i₀ определяется часть полной мощности трансформатора, расходуемой на создание основного поля (намагничивание) магнитной системы.

Реактивная мощность, расходуемая трансформатором,

%.

Реактивную мощность нельзя преобразовать, например, в механическую, т. е. она не может полезно использоваться потребителем, а лишь нагружает линию передачи, связывающую трансформатор с источником энергии (генератором), вызывая в ней потери энергии.

Коэффициент полезного действия трансформатора определяется отношением активной мощности Р₂, передаваемой во вторичную сеть, к активной мощности P₁, подводимой к трансформатору,

.

Учитывая, что Р₁ = Р₂ + ?Р₁ ? = Р₂/(Р₂ + ?Р₁), или, в процентах,

.

5.13 Определение массы трансформатора

Масса активных материалов трансформатора с достаточной точностью определяется при его расчете. Более точно массы конструктивных и других материалов трансформатора могут быть найдены только после подробной разработки его конструкции.

Масса конструктивной стали остова может быть приближенно принята 0,1 суммарной массы провода обмоток и стали магнитной системы. Масса картона в изоляции обмоток зависит от мощности и класса напряжения трансформатора. С ростом мощности относительная масса картона уменьшается. Для трансформаторов с медными обмотками можно принять массу картона 0,12--0,15 от массы провода.

Масса активной части трансформатора, т. е. остова с обмотками и отводами, может быть приближенно определена по формуле

.

5.14 Пример расчета трансформатора средней мощности

Исходные данные для расчета трансформатора для управляемого симметричного трехфазного мостового выпрямителя:

, В - линейное напряжение на входе трансформатора;

, % - изменение входного напряжения;

- число фаз;

, Гц - частота сети;

, В - максимальное выпрямленное напряжение;

, % - регулирование напряжения;

, А - максимальный выпрямленный ток;

, А - минимальный выпрямленный ток.

5.14 Расчет основных параметров трансформатора

Среднее выпрямленное напряжение в неуправляемом режиме:

где - максимальное выпрямленное напряжение;

- коэффициент наклона внешней характеристики; , В - падение напряжения на открытых вентилях; ; - минимальный угол управления;

В

Действующее значение напряжения во вторичной обмотке трансформатора

,В

5.15 Рассчитаем типовую мощность трансформатора:

,В·А

Расчет основных электрических величин:

Коэффициент трансформации:

Мощность одной фазы трансформатора:

, В·А

Номинальный ток в обмотке высокого напряжения (ВН):

 , А

Номинальный ток обмотки низкого напряжения (НН):

, А

5.16 Расчет основных размеров трансформатора

Диаметр окружности, в которую вписано ступенчатое сечение стержня

.

где - ширина приведенного канала рассеянья трансформатора.

мм - размер канала между обмотками ВН и НН, определяется как изоляционный промежуток, предварительно определяется по формуле , где - коэффициент канала рассеянья; , см; - коэффициент, определяющий соотношение между шириной и высотой трансформатора; - коэффициент приведения идеального поля рассеянья трансформатора к реальному полю;

Выбираем сталь марки 3404, толщиной 0,35 мм.

Рекомендуемая индукция в стержне трансформатора для данной марки стали и сухом способе охлаждения составляет Тл; коэффициент заполнения сталью, равный отношению активного сечения стержня к площади круга с диаметром, равным диаметру стержня трансформатора, и принят предварительно равным . В этом случае диаметр окружности, в которую вписано ступенчатое сечение стержня будет равен:

, см

Выбираем ближайший нормализированный диаметр , см, для которого геометрическое сечение стержня: см², а коэффициент заполнения рулонной хладнокатаной стали принят равным: , тогда активное сечение стержня трансформатора

, см².

Электродвижущая сила одного витка:

, В.

Второй основной размер трансформатора - высота обмотки , определяется по формуле [2-6]:

,

здесь - средний диаметр между обмотками, можно приближенно найти из формулы:

, см,

где для медных обмоток.

Тогда высота обмотки:

см.

5.17 Расчет обмотки низкого напряжения (ОНН)

Число витков обмотки низкого напряжения на одну фазу найдем как [2]:

Округляем до целого числа: .

Уточняем напряжение одного витка ОНН:

В.

и определяем истинное значение магнитной индукции в стержне:

, Тл.

Найдем ориентировочное сечение витка при допустимой плотности тока вторичной обмотки :

мм²

В качестве ОНН выбираем цилиндрическую двухслойную обмотку из прямоугольного медного провода, тогда:

Поперечное сечение провода ОНН:

мм².

Число витков в слое ОНН:

,

откуда найдем ориентировочный осевой размер витка ОНН:

, см.

Для ОНН выбираем стандартный провод марки ПСДК:

мм - продольный размер провода без изоляции;

мм - продольный размер провода с двусторонней изоляцией;

мм - поперечный размер провода без изоляции;

мм - поперечный размер провода с двусторонней изоляцией;

мм² - активное сечение провода ОНН.

Активное сечение витка составит: .

Уточняем плотность в ОНН:



Тогда окончательный осевой размер ОНН найдем как:

см.

Радиальный размер ОНН:

,

где см - радиальный размер канала между обмотками, тогда.

, см.

Внутренний диаметр ОНН:

, см.

Наружный диаметр ОНН:

см

Расчет обмотки высокого напряжения (ОВН)

Число витков на одну фазу обмотки высокого напряжения:

Округляем до целого числа .

Определим предварительно плотность тока в ОВН:

.

Определим ориентировочное значение сечения витка ОВН:

.

В качестве ОВН выбираем многослойную цилиндрическую обмотку.

Число витков в слое:

;

выбираем

Поперечное сечение провода:

;

Ориентировочный осевой размер витка высокого напряжения:

см.

Выбираем стандартный провод марки ПСДК:

мм - продольный размер провода без изоляции;

мм - продольный размер провода с двусторонней изоляцией;

мм - поперечный размер провода без изоляции;

мм - поперечный размер провода с двусторонней изоляцией;

мм² - активное сечение провода ОВН.

Активное сечение витка: мм².

Уточняем плотность в ОВН:

.

Рабочее напряжение между двумя слоями:

В,

тогда радиальный размер обмотки с экраном:

, см,

где см - толщина кабельной бумаги в изоляции между слоями обмотки.

Внутренний диаметр ОВН определим как:

см;

Тогда наружный диаметр ОВН:

см.

5.18 Расчет массы меди обмоток

Массу меди в ОНН определим из выражения:

,

где m = 3 - число фаз, w_нн- число витков ОНН, , мм² - активное сечение провода ОНН, D_ср- средний диаметр ОНН:

, см.

С учетом отмеченных выше замечаний получаем массу меди ОНН:

кг.

Массу меди в ОВН определим из выражения:

,

где m = 3 - число фаз, w_вн- число витков ОВН, , мм² - активное сечение провода ОВН, D_ср- средний диаметр ОВН:

см,

С учетом отмеченных выше замечаний получаем массу меди ОВН:

кг.

Находим длины отводов ОНН и ОВН.

- длина отводов ОНН: см;

- длина отводов ОВН: см;

Найдем массу металла отводов обмоток низкого и высокого напряжения.

Для ОНН: кг;

Для ОВН: кг,

где - плотность меди.

Коэффициент учета неравномерного распределения витков:

>, т.к. , тогда .

, см

5.20 Расчет массы магнитопровода

Определим массу стержней:

, кг;

Для определения массы основных частей ярма необходимо вначале найти расстояние между осями смежных стержней магнитопровода:

, см,

где , см - изоляционное расстояние между наружными обмотками смежных стержней.

Тогда вес ярма магнитопровода:

, кг;

Масса угла:

, кг;

где , - объем угла.

Суммарная масса магнитопровода трансформатора:

, кг.

Таким образом, спроектированный трансформатор имеет следующие расчетные характеристики:

S=23,1 кВА; U_вх=380, В; I_1ном = 39,44, А; U_2ном = 106,84, В; I_2ном= 81,65, А;

w_вн = 120 вит.; w_нн = 58 вит.; j = 1,94, А/мм² ; В_ст = 1,52 Тл.; Массу меди на фазу: G_{Cu ОНН} = 25,35 кГ.; G_{Cu ОВН} = 37,22 кГ.; Массу магнитопровода на долю одной фазы G_1ф? = 83,56 кГ.

Следовательно, согласно таблицам №2 и№3 для управляемого симметричного трехфазного мостового выпрямителя выбираем ближайший по мощности трансформатор типа ТЗ-25 с напряжением первичной обмотки 380,В и вторичной обмотки 133, в и КПД 96%. При этом запас по мощности составит 1,9 кВА.

Список литературы

1. Стародубцев Ю.Н. Теория и расчет трансформаторов малой мощности, М., Издательское предприятие «Радио Софт», 2005г., 320 с.

2. Петров Г.Н., Электрические машины, ч.1. Трансформаторы, М., Энергия, 1974г., 240 с.

3. Брускин Д.Э., Зорохович А.Е. Хвостов В.С. Электрические машины, М., Высшая школа, 1979 г., 288 с.

4. Справочник судового электротехника. В 3-х томах, под ред.

Г. И. Китаенко, Судостроение, 1975 г.

5. Белопольский И.И. и др., Расчет трансформаторов и дросселей малой мощности. М., Энергия, 1973г., 400 с.

6. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов, М., Энергия, 1976, 544 с.

Размещено на Allbest.ru