КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЁТ ОБМОТОК

Введение

Выпрямление переменного тока на тяговых подстанциях электрифицированных на постоянном токе железных дорог осуществляется преобразовательным агрегатами, содержащими специальный трансформатор, полупроводниковый выпрямитель и вспомогательную аппаратуру. Питание выпрямительного агрегата осуществляется от сети трехфазного переменного тока напряжением U1=110; 35; 10; 6 кВ частотой f1 =50 Гц.

Выпрямитель осуществляет выпрямление переменного тока. Выпрямитель собран на полупроводниковых приборах. Выпрямленное напряжение Ud в зависимости от области применения (железнодорожный или промышленный транспорт, метро и городской транспорт) может составлять: 3700; 3300; 1650; 825. 600; 275 В.

Применяемый в такой схеме силовой трансформатор называется преобразовательным трансформатором. Он служит для согласования напряжения питающей сети и напряжения контактной сети, а также для разделения цепи нагрузки от питающей сети.

К вспомогательной аппаратуре относятся сглаживающий фильтр, предназначенный для уменьшения пульсаций выпрямленного тока в нагрузке (тяговые двигатели ЭПС), систему автоматического управления агрегатом, а также блок сигнализации и защиты.

Преобразовательные трансформаторы по сравнению с силовыми трансформаторами общего назначения обладают рядом отличительных особенностей.

Одной из важных особенностей является то, что вследствие вентильного действия выпрямителя каждый анод его работает только в течение части Периода переменного тока, поэтому условия работы первичной и вторичной обмоток преобразовательного трансформатора неодинаковы. Преобразовательный трансформатор питается с первичной стороны синусоидальным напряжением, а каждая фаза вторичной обмотки находится под током только часть периода, поэтому токи в первичной обмотке будут несинусоидальными.

Другой особенностью является то, что короткие замыкания тяговой сети и нагрузке у преобразовательных трансформаторов происходят значительно чаще, чем у обычных трансформаторов. Поэтому преобразовательные трансформаторы должны рассчитываться на повышенную механическую прочность обмоток и поездов, которые могли бы неоднократно выдерживать без остаточных деформаций большие механические усилия, вызванные токами аварийного короткого замыкания.

Эти особенности должны учитываться в ходе проектирования трансформатора. Проектирование включает в себя широкий круг технических вопросов. Разработка производится на основе выполнения электромагнитного, теплового и механического расчетов, обеспечивающих заданные основные электрические и эксплуатационные параметры.

Задача расчета трансформатора не имеет точного однозначного решения, так как не представляется возможным составить систему независимых уравнений первой степени, число которых равнялось бы числу определяемых неизвестных. Решение такой задачи обычно достигается путем расчета, нескольких вариантов с учетом ряда допущений и ввода в ходе расчета дополнительных величин, полученных на основании накопленного опыта в трансформаторостроении. Все подобные многовариантные расчеты проводятся с использованием современных ЭВМ. Из этих вариантов выбирается тот, который обладает наилучшими технико-экономическими показателями при минимальном расходе материалов.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ МАГНИТОПРОВОДА

 

1.1 Выпрямленное напряжение холостого хода рассчитывается по формуле:

где  – номинальное выпрямленное напряжение

 –напряжение короткого замыкания

1.2 Средняя мощность выпрямленного тока вычисляется по формуле:

где  –номинальный выпрямленный ток

·  = 8499 кВт.

1.3 Номинальная мощность первичной обмотки определяется по следующей формуле:

где  –коэффициент, зависящий от схемы выпрямленного агрегата; (  =1,05)

8499·1,05 = 8924 кВА.

1.4 Номинальное фазное напряжение обмотки высокого напряжения (сетевой) для схемы Y определяется из соотношения = , следовательно  =20.2 кВ.

1.5 Номинальное фазное напряжение обмотки низкого напряжения определяется по формуле:

   

где  –коэффициент, зависящий от схемы выпрямительного агрегата и схемы соединения обмотки низкого напряжения трансформатора; при мостовой схеме выпрямления и схеме соединения фаз обмотки треугольник  = 1,35.

2737В.
1.6 Номинальный фазный ток обмотки высокого напряжения рассчитывается по формуле:

147 А.

 

1.7 Номинальный фазный ток обмотки низкого напряжения определяется по формуле:

где коэффициент, зависящий от схемы выпрямительного агрегата и схемы соединения обмотки низкого напряжения; при мостовой схеме выпрямления и соединении обмоток низкого напряжения треугольником 0,471.

1083 А.

1.8 Предварительное число витков обмотки низкого напряжения

Предварительное число витков обмотки низкого напряжения определяется исходя из значений фазного напряжения обмотки и напряжения, приходящегося на один виток . Выбор значения  производим по кривой (см. стр.8 [1]) в зависимости от номинальной мощности трансформатора. При этом предварительное число витков обмотки низкого напряжения составит;

.

Вторичная обмотка низкого напряжения в преобразовательных трансформаторах выполняется с параллельными ветвями, поэтому необходимо, чтобы число витков было чётным и делилось без остатка на число катушек в одной параллельной группе, которое также должно быть чётным.

При  = 8924 кВА получаем  = 51 В/вит;

54.

Принимаем  =54 витков

При окончательном расчёте обмотки низкого напряжения возможно потребуется корректировка витков w2, а затем и витков w1 с соответствующей корректировкой предыдущего расчёта.

 

51 В/вит.

1.9 Предварительное число витков обмотки высокого напряжения определяется по формуле:

399.

Принимаем 399 витков.

 

1.10 Намагничивающие силы обмоток. Первой определяем намагничивающую силу обмотки высокого напряжения, по формуле:

 

Далее рассчитываем намагничивающую силу для обмотки низкого напряжения.

В результате суммарная токовая нагрузка  стержня магнитопровода численно равна арифметической сумме намагничивающих сил обмоток ВН и НН.

.

1.11 Расчёт высоты стержня, см:

      

 

где  – допустимая линейная токовая нагрузка стержня; определяется по графику, в зависимости от номинальной мощности (см. стр. 11 [1]) трансформатора и напряжения первичной обмотки.

При S1 = 8924 кВА получаем  = 1090 А/см

1.12 Расчёт диаметра стержня, см

 

 – магнитная индукция в стержне; выбирается в зависимости от марки стали и мощности трансформатора; для трансформаторов данного класса  = 1,55 – 1,65 Тл;

 – коэффициент заполнения стали; выбирается в зависимости от толщины листов и марки стали  =0,93 – 0,97;

 – коэффициент заполнения круга; зависит от диаметра стержня и мощности трансформатора  = 0,85 – 0,92.

Для уменьшения расхода стали диаметр стержня принимают стандартным (по нормам СЭВ).

 

 

Принимаем  = 50 см.

Известно, что = 4,44  · ·Ф или = 4,44   · · · . Если  и , а  выбирается при расчёте, то   и могут изменятся в широком диапазоне. Так, например увеличение  приводит к уменьшению и наоборот.

Сталь на порядок дешевле материала обмоток, поэтому в силовых трансформаторах данные габаритов масс стали обычно больше массы меди в 2 – 4 раза. При этом в оптимально спроектированных трансформаторах имеется следующее соотношение высоты и диаметра стержня:

В нашем случае что удовлетворяет требованиям.

КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЁТ ОБМОТОК

 

Основными требованиями, предъявляемыми к обмоткам силовых трансформаторов, является электрическая и механическая прочность, нагревостойкость.

Изоляция обмоток и других частей трансформатора должна выдерживать без повреждений коммутационные и атмосферные перенапряжения.

Для преобразовательных трансформаторов данной группы обычно проводом прямоугольного сечения, который располагается большим размером к стержню – «плашмя». Чтобы улучшить охлаждение обмоток они выполняются с аксиальными и радиальными масляными каналами. Аксиальные масляные каналы образуются рейками, устанавливаемыми на бекелитовый изолирующий цилиндр с таким расчётом, чтобы средняя длина по окружности между рейками не превышала 15 см. Ширина рейки принимается = 2-4 см, а величина масляного канала (толщина рейки) = 0,6-3 см.

Радиальные каналы создаются за счёт меж катушечных прокладок, закреплённых на рейках. Ширина прокладок 2-6 см, высота масляных каналов (толщина прокладок)  = 5-8 мм. Рейки и прокладки выполняются из электрокартона.

Обычно для преобразовательных трансформаторов применяют катушечную обмотку.

 

2.1 Расчёт обмотки высокого напряжения

 

В преобразовательных силовых трансформаторах на стержне располагают обмотку низкого напряжения. На рисунке 1 схематично показано расположение обмоток и главной изоляции трансформатора и изоляционные расстояния обмоток высокого и низкого напряжения с учётом норм электрической прочности и особенностей конструкций преобразовательных трансформаторов.

 

2.1.1 Высота обмотки

Высота обмотки трансформатора определяется по формуле:

2.1.2 Сечение витка обмотки высокого напряжения

где  - плотность тока в обмотке, = 2,8 А/ ;

По технологическим соображениям сечение витка не должно быть более 35 , поэтому при требуемых больших сечениях обмотку выполняют из двух или иногда трех параллельных проводников. При значениях тока  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 В не должна превышать размера

где k - коэффициент, учитывающий вытеснение тока; при частоте = 50 Гц принимается k = 1;

q - тепловая нагрузка обмотки; для трансформаторов данного класса принимается

q = 1000-1200 Вт/

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

Исходя из перечисленного выбираем проводник для обмотки ВН; принимаем два проводника

тогда фактическая плотность тока в обмотке ВН составит

2.1.3 Предварительное число катушек обмотки ВН

где  - высота масляного канала; принимаем  = 6 мм;

Принимаем 58 катушек

2.1.4 Число витков в катушке ВН

 

Принимаем  = 7 витков, тогда число катушек обмотки ВН составит

Принимаем  = 57 катушек.

2.1.5 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 били бы больше основных, число витков в этих катушках уменьшается.

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

Размеры основной катушки:

осевой  

радиальный

где - число параллельных проводников;

 - ширина провода с изоляцией ;

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

Принимаем  = 6, при этом радиальный размер катушки с усиленной изоляцией составит:

 

На рис.2 представлен эскиз основной катушки обмотки ВН

 

Распределение витков и катушек обмотки ВН:

катушки с усиленной изоляцией  = 4, = 6,  = 24

катушки основные , 7, 371

катушки дополнительные  = 1,  = 4,  = 4

Итого число катушек 58, число витков 399

Осевой размер обмотки ВН

высота меди мм;

усиленные каналы мм;

нормальные каналы мм

Итого мм;

Усадка изоляции составляет 3-5% от величины изоляции прокладок мм

Итого высота обмотки ВН мм.

 

2.1.6 Внутренний диаметр обмотки ВН

 мм.        

2.1.7 Внешний диаметр обмотки ВН

мм.

2.1.8 Средний диаметр обмотки ВН

мм.        

2.1.9 Масса обмотки ВН

кг    где  - сечение провода обмотки,

- средний диаметр обмотки, см

g- плотность меди; g = 8,9 г/

C учетом изоляции и отводов масса обмотки ВН составит

 кг.

2.1.10 Удельная тепловая нагрузка обмотки ВН

 

 

где - коэффициент закрытия катушки обмотки ВН;

  

где - ширина рейки; принимаем  = 2 см;

- число прокладок;

Принимаем = 13

 

где - коэффициент, учитывающий добавочные потери; для трансформаторов данного класса = 1,03 - 1,1, принимаем  = 1,1

- периметр катушки обмотки ВН

мм

Допустимая нагрузка преобразовательных трансформаторов данного класса находится в пределах q= 1000- 1200 Вт/м2.

Полученное значение тепловой нагрузки = 595 Вт/  удовлетворяет требованиям проектирования.

2.2 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.

2.2.1 Сечение витка обмотки НН

Где  -плотность тока в обмотке НН, А/ ; принимается в соответствии с данными табл. 1. Принимаем А/

Ранее отмечалось, что максимальное значение сечения одного провода выбирается не более 35 м , поэтому определяем число параллельных групп N 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 и  и числа N.

При наших условиях имеем:

Принимаем два параллельных проводника

При этом сечение витка будет  равно

Фактическая плотность тока в обмотке НН

    

2.2.2 Число катушек в обмотке НН

Предварительная высота обмотки НН

Значение и  берутся из табл. 1.

2.2.3 Число катушек в одной параллельной группе

Принимаем

Уточняем число катушек обмотки НН

2.2.4 Число витков в катушке

Принимаем

Уточняем число витков обмотки НН

     

Уточняем значение

В/вит.

В нашем случае корректировка числа витков обмотки ВН требуется, так как предварительное и окончательное значения числа витков обмотки НН не совпадают.

Число витков обмотки ВН:

.

Принимаем витков.

Число витков в катушке ВН:

 витков.

Принимаем = 6 витков, тогда предварительное число катушек обмотки ВН составит

 катушек

Принимаем катушек.

Распределение витков и катушек обмотки ВН:

катушки с усиленной изоляцией  = 4, = 6,  = 24

катушки основные , 6, 378

катушки дополнительные  = 1,  = 11,  = 11

Итого число катушек 71, число витков 413

Осевой размер обмотки ВН

высота меди мм;

усиленные каналы мм;

нормальные каналы  мм

Итого  мм;

Усадка изоляции составляет 3-5% от величины изоляции прокладок  мм

Окончательная высота обмотки ВН

 мм.

Окончательная масса обмотки ВН

C учетом изоляции и отводов масса обмотки ВН составит

 кг.

Размеры катушки НН:

осевой мм;

радиальный мм        

2.2.5 Внутренний диаметр обмотки НН

мм,

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

мм.

2.2.6 Наружный диаметр обмотки НН:

мм.

2.2.7 Средний диаметр обмотки НН

мм.

2.2.8 Высота обмотки НН

высота меди

 мм;

масляные каналы

 мм;

Итого

 мм;

Усадка 5% толщины изоляции

мм

Итого высота обмотки НН

мм.

2.2.9 Масса меди обмотки НН

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.

2.2.10 Удельная тепловая нагрузка обмотки НН, Вт/ :

,

где  – коэффициент закрытия катушки НН

       

где - число прокладок для обмотки НН;

     

Принимаем 17

где  – периметр катушки обмотки НН

мм

.

2.3 Строение трансформатора

Диаметр стержня     = 50 см

Цилиндр ВН:

Внутренний диаметр цилиндра 54,4 см

Толщина цилиндра  0,8 см

Наружный диаметр цилиндра  = 56 см

Масляный канал между обмоткой ВН 2,5 см

Обмотка ВН:

Внутренний диаметр 58 см

Радиальный размер катушки   57 мм

Наружный диаметр 69.4 см

Масляный канал  2.5 см

Цилиндр НН:

Внутренний диаметр 74.6 см

Толщина цилиндра  0,6 см

Наружный диаметр 75.8 см

Масляный канал 0,6 см

Обмотка НН

Внутренний диаметр 77.8 см

Радиальный размер катушки    48.5 мм

Наружный диаметр  87.5см

Высота обмотки ВН  1013 мм

Высота обмотки НН  858 мм

 

 

Высота стержня

по обмотке ВН

 мм;

по обмотке НН

 мм

Окончательную высоту стержня принимаем по максимальному значению, 126 см

Отношение

Расстояние между осями стержней

см

 

---

Дата добавления: 2019-09-02; просмотров: 129; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!