ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА. К эскизному проекту преобразовательного

К эскизному проекту преобразовательного

трансформатора типа ТМПЖ – 10000/35

Выполнил: Павлов В.А.

группа ЭС-104

Проверила: Колесова А.В.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

СОДЕРЖАНИЕ

1. ЗАДАНИЕ……………………………………………………………….. 3

1. ЗАДАНИЕ

При курсовом эскизном проектировании преобразовательного трансформатора типа ТМПЖ – 10000/35 были заданы следующие данные.

Номинальное выпрямленное напряжение - U_d=3700 В.

Номинальный выпрямленный ток – I_d=1900 А.

Номинальное первичное напряжение (линейное) – U₁=35 кВ.

Схема соединения обмоток трансформатора:

первичной – треугольник;

вторичной – треугольник.

Напряжение короткого замыкания – U_к=8,2%.

Частота питающей сети – f=50 Гц.

Охлаждение трансформатора – масляное.

Режим работы – продолжительный.

2. ВВЕДЕНИЕ

Выпрямление переменного тока на тяговых подстанциях электрифицированных железных дорог осуществляется преобразовательными агрегатами, содержащими специальный трансформатор, полупроводниковый выпрямитель и вспомогательную аппаратуру. Применяемый в такой схеме преобразовательный трансформатор согласно ГОСТ 15001-73 называется преобразовательным трансформатором. Он служит для согласования напряжений питающей сети и напряжения контактной сети, а также для гальванической развязки цепей нагрузки и питающей сети. Преобразовательные трансформаторы по сравнению с силовыми трансформаторами общего назначения обладают рядом отличительных особенностей, которые необходимо учесть в процессе проектирования. Одной из этих особенностей являются относительно частые, по сравнению с обычными трансформаторами, короткие замыкания, поэтому преобразовательные трансформаторы должны рассчитываться на повышенную механическую прочность обмоток и токоотводов для восприятия больших механических усилий без остаточных деформаций. Другой особенностью является влияние выпрямителя на вторичную обмотку: каждый вентиль выпрямителя работает в течение части периода питающего напряжения, следовательно ток нагрузки будет также протекать в момент проводимости диода, то есть в течении части периода. Результатом этого явления будет неравномерная загрузка фаз вторичной обмотки и несинусоидальность токов вторичной обмотки.

3. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ МАГНИТОПРОВОДА

3.1. Выпрямленное напряжение холостого хода

,

где – номинальное выпрямленное напряжение, В;

– напряжение короткого замыкания.

(В)

3.2. Средняя мощность выпрямленного тока

,

где – номинальный выпрямленный ток, А.

(кВт).

3.3. Номинальная мощность первичной обмотки

,

где К_р – коэффициент, зависящий от схемы выпрямительного агрегата, при трехфазной мостовой схеме выпрямления К_р=1,05.

(кВА)

3.4. Номинальное фазное напряжение обмотки ВН

При соединении обмоток ВН треугольником номинальное фазное напряжение будет составлять:

(кВ).

3.5. Номинальное фазное напряжение обмотки НН, В:

,

где – коэффициент, зависящий от схемы выпрямительного агрегата и схемы соединения обмотки НН трансформатора; при мостовой схеме выпрямления и соединении фаз обмотки НН треугольником .

(В)

3.6. Номинальный фазный ток обмотки ВН

(А).

3.7. Номинальный фазный ток обмотки НН

где К_I – коэффициент, зависящий от схемы выпрямительного агрегата и схемы соединения обмотки НН; при мостовой схеме выпрямления и соединении фаз обмотки НН треугольником К_{I =} 0,471;

(А).

3.8. Предварительное число витков обмотки НН

Число витков обмотки НН определяются исходя из значений фазного напряжения обмотки и напряжения, приходящегося на один виток U_в/в. При кВА, В/вит.

Предварительное число витков обмотки НН

(витков).

Принимаем W₂ = 56 витков.

Уточняем значение U_в/в

(В/вит).

3.9. Предварительное число витков обмотки ВН

(витка)

Принимаем W₁=668витков.

3.10.Определение намагничивающих сил обмоток

обмотки ВН

(А)

обмотки НН

(А)

результирующая

(А).

3.11.Определение высоты стержня

,

где А_с – линейная нагрузка стержня, определяется по графику. При кВА, А/см.

(см).

3.12.Определение диаметра стержня

,

где В_с – магнитная индукция в стержне, выбирается в зависимости от марки стали и мощности трансформатора. Для трансформаторов данного класса Тл.

К_с – коэффициент заполнения стали, выбирается в зависимости от толщины листов и марки стали ;

К_кр - коэффициент заполнения круга, зависит от диаметра стержня и мощности трансформатора .

Для уменьшения расхода стали, диаметры стержня принимаются стандартными по нормам СЭВ.

(см)

Принимаем см.

В оптимально спроектированных трансформаторах имеется следующее соотношение высоты и диаметра стержня

В нашем случае

,

что удовлетворяет требованиям.

4. Конструирование и расчет обмоток

4.1. Расчет обмотки ВН

В преобразовательных силовых трансформаторах обмотка ВН располагается на стержне, в то время как у обычных силовых трансформаторах на стержне располагают обмотку НН.

На рисунке 1 схематично показано расположение обмоток и главной изоляции трансформатора.

Рис. 1 Расположение обмоток и главной изоляции

4.1.1. Высота обмотки

,

где – минимальное изоляционное расстояние для обмотки ВН от верхнего ярма, мм;

– минимальное изоляционное расстояние для обмотки ВН от нижнего ярма, мм.

(мм)

4.1.2. Сечение витка обмотки ВН

,

где – плотность тока в обмотке, А/мм².

(мм²)

По технологическим соображениям сечение витка не должно быть более 35 мм², поэтому при требуемых больших сечениях обмотку выполняют из двух или иногда трех параллельных проводников. При значениях тока I_1ф более 300 А обмотка ВН выполняется с параллельными ветвями, так как выполнить обмотку четырьмя и более проводниками параллельно технически очень сложно.

При прямоугольных проводах высокая сторона провода b не должна превышать размера

,

где k – коэффициент, учитывающий вытеснение тока; при частоте 50 Гц, принимаем k=1;

q – тепловая нагрузка обмотки, для трансформаторов данного класса принимаем q=1000…1200 Вт/ м².

Исходя из опыта проектирования и принимаемых нагрузок получаем значение b=12…15 мм. Кроме того, по технологическим соображениям необходимо, чтобы отношение высоты к ширине провода составляло b/a=3…5.

Принимаем стандартное сечение прямоугольного обмоточного провода

(мм²)

Тогда фактическая плотность тока в обмотке ВН составит

(А/мм²).

4.1.3. Предварительное число катушек обмотки ВН

,

где – высота масляного канала, принимаем мм;

– высота провода с изоляцией.

Принимаем ближайшее большее четное значение катушек.

4.1.4. Число витков в катушке ВН

(витков).

Принимаем витков, тогда число катушек обмотки ВН составит

(катушек).

Принимаем катушек.

4.1.5. Распределение витков и катушек обмотки ВН

Для повышения надёжности трансформатора при атмосферных и коммутационных перенапряжениях первые к ярму катушки выполняются с усиленной изоляцией, а чтобы радиальные размеры этих катушек не были бы больше основных, число витков в этих катушках уменьшается.

При U₁=35 кВ принимаем 4 катушки с усиленной изоляцией (по две катушки с обеих сторон обмотки).

Размеры основной катушки:

осевой

(мм);

радиальный

,

где m₁ - число параллельных проводников;

- ширина провода с изоляцией;

(мм)

Размер катушки с усиленной изоляцией не должен превышать размер основной катушки, поэтому число витков в катушке с усиленной изоляцией должно быть:

Принимаем W_kу = 14, при этом радиальный размер катушки с усиленной изоляцией составит:

мм

На рис.2 представлен эскиз основной катушки обмотки ВН

Рис. 2. Строение катушки обмотки высокого напряжения.

Распределение витков и катушек обмотки ВН

катушки с усиленной изоляцией n_КУ = 4 W_KУ = 14 W_У = 56;

катушки основные n₀ = n_K1 – n_KУ = 42-4=38 W_K1 = 16 W₀ = 608;

катушки дополнительные n_q = 1 W_kq = 6 W_q = 6;

Итого число катушек 42+1=43, число витков 664

Осевой размер обмотки ВН

высота меди

(мм);

усиленные каналы

(мм);

нормальные каналы

мм

Итого предварительная высота обмотки ВН без учета усадки изоляции

(мм);

Усадка изоляции составляет 3-5% от величины изоляции прокладок

(мм)

Итого высота обмотки ВН

(мм).

4.1.6. Внутренний диаметр обмотки ВН

(мм).

4.1.7. Внешний диаметр обмотки ВН

(мм).

4.1.8. Средний диаметр обмотки ВН

(мм).

4.1.9. Масса обмотки ВН

где - сечение провода обмотки, см²

- средний диаметр обмотки, см

g - плотность меди; g = 8,9 г/см³

(кг)

C учетом изоляции и отводов масса обмотки ВН составит

(кг).

4.1.10. Удельная тепловая нагрузка обмотки ВН, Вт/м²

,

где - коэффициент закрытия катушки обмотки ВН;

,

где - ширина рейки, принимаем см;

- число прокладок;

Принимаем

где - коэффициент, учитывающий добавочные потери, для трансформаторов данного класса , принимаем

- периметр катушки обмотки ВН

(мм)

(Вт/м²).

Допустимая нагрузка преобразовательных трансформаторов данного класса находится в пределах Вт/м². Полученное значение тепловой нагрузки Вт/м² удовлетворяет требованиям проектирования.

4.2. Расчет обмотки НН

Обмотка НН выполняется с большим числом параллельных групп, так как номинальный ток обмотки НН значительно больше по отношению к току обмотки ВН.

4.2.1. Сечение витка обмотки НН

(мм²)

Ранее отмечалось, что максимальное значение сечения одного провода выбирается не более 35 мм², поэтому определяем число параллельных групп при выполнении обмотки двумя параллельными проводниками:

Принимаем N = 6 предварительно, так как необходимо, чтобы число катушек в параллельной группе было четным. Этого можно достигнуть, если рассматривать несколько вариантов за счет изменения размеров провода b и а и числа N.

При наших условиях имеем:

(мм²)

Принимаем два параллельных проводника

(мм²)

Фактическая плотность тока в обмотке НН

(А/мм²).

4.2.2. Число катушек в обмотке НН

4.2.3. Число катушек в одной параллельной группе

.

Принимаем , чтобы обеспечить условие n^’_K2гр –целое четное число.

Уточняем число катушек обмотки НН

.

4.2.4. Число витков в катушке

.

Принимаем 8 витков.

Уточняем число витков обмотки НН

Уточняем значение U_в/в

(В/вит).

Размеры катушки НН:

осевой мм;

радиальный

мм

4.2.5. Внутренний диаметр обмотки НН

,

где а₁₂ - расстояние между обмоткой ВН и обмоткой НН одной фазы;

(мм);

(мм).

4.2.6. Наружный диаметр обмотки НН

(мм).

4.2.7. Средний диаметр обмотки НН

(мм).

На рис. 3 представлена электрическая схема фазы обмотки НН, а на рис. 4 представлен эскиз катушки обмотки НН.

Рис. 3. Электрическая схема фазы обмотки НН

Рис. 4. Строение катушки обмотки НН

4.2.8. Высота обмотки НН

высота меди

(мм);

масляные каналы

(мм);

Итого

мм;

Усадка 5% толщины изоляции

мм

Итого высота обмотки НН

(мм).

4.2.9. Масса меди обмотки НН

(кг).

С учетом изоляции и отводов масса меди обмотки НН составит:

(кг).

Удельный расход меди:

(кг/кВА).

В серийно выпускаемых трансформаторах удельный расход меди составляет 0,25 – 0,5 кг/кВА.

4.2.10. Удельная тепловая нагрузка обмотки НН, Вт/ м²

,

где К_ЗК2 – коэффициент закрытия катушки НН

где - число прокладок для обмотки НН;

Принимаем

где – периметр катушки обмотки НН

(мм)

(Вт/м²).

4.3. Строение трансформатора

Диаметр стержня d_c = 48 см

Цилиндр ВН:

Внутренний диаметр цилиндра 49 см

Толщина цилиндра 0,6 см

Наружный диаметр цилиндра 50,2 см

Масляный канал между обмоткой ВН 3 см

Обмотка ВН:

Внутренний диаметр 54,2 см

Радиальный размер катушки 44 мм

Наружный диаметр 63 см

Масляный канал 3 см

Цилиндр НН:

Внутренний диаметр 64,2 см

Толщина цилиндра 0,6 см

Наружный диаметр 63,5 см

Масляный канал 1 см

Обмотка НН

Внутренний диаметр 69,4 см

Радиальный размер катушки 32,34 мм

Наружный диаметр 78,6см

Высота обмотки ВН 808,2 мм

Высота обмотки НН 891,9 мм

Высота стержня

по обмотке ВН мм;

по обмотке НН мм

Окончательную высоту стержня принимаем по максимальному значению:

(см)

Отношение

Расстояние между осями стержней:

(см).

5. РАСЧЕТ НАПРЯЖЕНИЙ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

5.1. Электрические потери в обмотках

(Вт)

(Вт).

5.2. Полные потери с учетом потерь в отводах, от вихревых токов и потоков рассеяния

(Вт).

5.3. Активная составляющая напряжения короткого замыкания

(%).

5.4. Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания

,

где ширина приведенного канала рассеяния;

(см);

где средний диаметр между обмотками ВН и НН

(см);

(%).

5.5. Полное напряжение короткого замыкания

(%)

Отклонение от заданного U_КЗ :

Значение соответствует заданию, т.к. отклонение от заданного не превышает ±10 %.

6. ОКОНЧАТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ МАГНИТОПРОВОДА

Окончательный расчет магнитопровода проводим по упрощенной методике при помощи таблиц, из которых при диаметре стержня определяем сечение стержня, ярма и строение стержня.

При d_c= 48 см имеем см², см².

6.1. Активное сечение стержня

(см²).

6.2. Активное сечение ярма

(см²).

6.3. Строение стержня

Стержень состоит из 14 пакетов и формируется следующими пластинами (ширина толщину): 465´59, 440´37, 425´15, 410´14, 395´18, 385´10, 368´10, 325´12, 310´7, 295´6, 270´9, 250´6, 215´9, 175´8 см.

По полученным данным построен эскиз строения магнитопровода (рис. 6).

Высота магнитопровода

,

h_я – высота ярма, принимается равной d_c

(см);

Ширина магнитопровода

(см).

Рис.5 Сечение стержня

Рис. 6 Строение магнитопровода

6.4. Масса стержней

,

где плотность стали: принимаем 7650 кг/м³

(кг).

6.5. Масса ярма

где число стержней;

(кг).

6.6. Масса магнитопровода с учетом углов и других элементов

(кг).

6.7. Удельный расход стали

(кг/кВА)

В серийно выпускаемых трансформаторах этот показатель составляет 0,8…1,5 кг/кВА.

6.8. Окончательное значение магнитной индукции

(Тл)

(Тл).

6.9. Удельные потери в стали

Удельные потери в стали определяются по табл.4 (1) исходя из значения индукции в стержне.

При Тл получаем Вт/кг

6.10.Потери холостого хода (потери в стали)

(Вт).

6.11.Активная составляющая тока холостого хода

(А)

В процентах:

(%).

6.12.Удельная намагничивающая мощность

Удельная намагничивающая мощность определяется по табл. 4 исходя из значения индукции в стержне.

При 1,26 Тл получаем = 2,35 Вт/кг.

6.13.Намагничивающая мощность

(Вт).

6.14.Реактивная составляющая тока холостого хода

А

В процентах:

(%)

6.15.Ток холостого хода

А

В процентах:

(%).

Ток холостого хода в серийно выпускаемых трансформаторах данного класса составляет 0,3 – 3,5 % от номинального тока Iн.

7. РАСЧЕТ МЕХАНИЧЕСКИХ СИЛ

Определение механических сил в обмотках трансформатора производится отдельно в осевом и радиальном направлениях.

Процесс короткого замыкания, являющийся аварийным режимом, сопровождается многократным увеличением тока в обмотках трансформатора по сравнению с номинальными токами, повышенным нагревом обмоток и ударными механическими силами, действующими на обмотки и их части.

Согласно ГОСТ 11677-85 наибольшая продолжительность короткого замыкания принимается длительностью до 4с.

7.1. Действующее значение установившегося тока короткого замыкания

(А)

Для уменьшения величины тока короткого замыкания в силовых трансформаторах напряжение короткого замыкания лучше иметь несколько больше, но при этом увеличиваются потери, то есть уменьшается коэффициент полезного действия. Окончательный выбор производится на основании технико-экономического обоснования.

7.2. Ударный ток короткого замыкания

где К_М – коэффициент, учитывающий апериодическую составляющую тока короткого замыкания;

;

(А);

7.3. Радиальные силы

Радиальные силы F_p стремятся оттолкнуть одну обмотку от другой. Внутренняя обмотка под действием этой силы сжимается, а наружная – растягивается.

,

где средняя длина витка обмотки, см;

(см);

где высота обмотки, см;

коэффициент Роговского;

,

τ= 4,4+4,6+3,2= 12,2 см

(Н).

7.4. Напряжение на разрыв в проводе обмотки, мПа

(мПа).

Для данного класса трансформаторов максимально допустимое напряжение не должно превышать 150 мПа.

7.5. Осевые силы

Осевые сжимающие силы действуют на межкатушечную изоляцию (прокладки):

(Н);

,

где величина, определяющая разность высот обмоток, см;

см;

где m – величина, зависящая от расположения обмоток; в нашем случае m = 1;

(см);

(Н);

Результирующая сжимающая сила:

(Н).

7.6. Напряжение на сжатие

,

где ширина прокладки, мм;

Допустимое значение составляет 35 – 40 мПа.

(мПа).

8. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ

Тепловой проверочный расчет трансформатора производится для установившегося режима работы, а также в конце процесса короткого замыкания. Расчетные значения перегревов не должны превышать допустимые по ГОСТу.

8.1. Полные потери в трансформаторе

(Вт).

8.2. Необходимая поверхность охлаждения бака и радиаторов трансформатора при тепловой нагрузке бака 600 Вт/м²

м².

Поверхность бака обычно составляет только небольшую часть этой поверхности, однако определим её. Для этого необходимо выполнить эскиз выемной части трансформатора и бака (рис. 7).

Рис. 7 эскиз выемной части трансформатора и бака

8.3. Ширина бака

;

где расстояния от обмотки НН до стенки бака; зависит от напряжения обмотки и конструкции отводов.

Принимается в диапазоне 2 –20 см.

(см).

8.4. Боковая поверхность бака

,

где коэффициент, учитывающий закрытие бака; ;

высота бака;

,

где Н – высота магнитопровода;

– зависит от величины напряжения, конструкции выводов и других элементов; принимается = 50-100 см;

А – прямая часть бака.

(м);

(см);

(м²).

8.5. Поверхность крышки бака

где коэффициент закрытия крышки бака; 0,4-0,5;

(м²).

8.6. Полная поверхность бака

(м²).

8.7. Полная длина бака

(м).

8.8. Необходимая поверхность радиаторов, их количество и тип

(м²).

С учетом длины и ширины бака, а также его высоты выбираем необходимое количество радиаторов и их тип.

В соответствии с табл.5 выбираем двойные радиаторы шириной 598 мм. При длине бака 2,7 м возможно разместить по три радиатора с каждой стороны бака, при этом необходимая поверхность охлаждения каждого из них будет составлять

(м²).

По табл. 5 выбираем радиатор площадью S = 18 м² с расстоянием между осями патрубков 1500 мм.

Исходя из выбранного радиатора имеем:

(м²);

(м²).

Действительная тепловая нагрузка бака составит

(Вт/м²).

8.9. Температура нагрева обмоток

Пользуясь графиками, представленными на рис.13 и 14 (1). По значению тепловой нагрузки бака Вт/м² имеем :

Для обмотки ВН при 842 Вт/м²

Для обмотки НН при 840 Вт/м²

8.10.Перегрев обмоток над окружающей средой

для обмотки ВН:

°С;

для обмотки НН:

°С.

Для применяемой изоляции класса «А» максимальный перегрев обмоток, согласно ГОСТ, допускается 110°С.

8.11.Перегрев масла над воздухом

В соответствии с графиком рис.13 (1) по тепловой нагрузке бака Вт/т имеем:

8.12.Превышение температуры масла в верхних слоях

,

где коэффициент, зависящий от конструкции; для трубчатых баков и баков с радиаторами ;

°С.

По ГОСТ превышение температуры масла не должно превышать значения 60°С.

8.13.Температура обмотки в конце процесса короткого замыкания, когда его отключает защита (t_к = 4с),

,

где начальная температура обмотки; принимается 90°С.

Допустимая температура при коротком замыкании для трансформаторов с масляным охлаждением при медных обмотках и классе изоляции «А» составляет 250°С.

°С

В нашем случае < 250, что допустимо.

8.14.Время, в течение которого температура обмотки достигнет 250°С.

(c).

9. КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Преобразовательный трансформатор типа ТМПЖ-10000/35 двухобмоточный, соединение обмоток D/D. Обмотки выполнены прямоугольным проводом с масляными каналами в радиальном и аксиальном направлениях.

Первичная обмотка ВН имеет одну параллельную ветвь с одним проводником. Вторичная обмотка НН имеет 6 параллельных ветвей с 8 катушками в каждой параллельной группе.

Основные технические данные обмоток:

I1Ф = 75,3 A	I2Ф = 894,9 А
W1 = 668	W2 = 56
D1 = 2,73 A/мм2	D2 = 2,7 A/мм2
П1 = 27,6 мм2	П2 = 55,2 мм2
F1 = 50300,4 А	F2 = 50114,4 А
q1 = 842 Вт/м2	q2 = 840 Вт/м2
= 13 мм	= 13 мм
ap1= 44мм	ap2= 46 мм
GМ1 = 1035 кг	GМ2 = 1176 кг
U1ф = 35000 В	U2ф = 2935,6 В
Pэ1 = 19438,6 Вт	Pэ2 = 21604 Вт

Магнитопровод выполнен из листов электротехнической стали толщиной 0,35 мм.

Основные размеры магнитопровода:

Бак гладкий с шестью двойными навесными радиаторами и расширителем. Общие габариты бака:

Длина