Силовые трансформаторы — основа современных энергосистем. Практически вся электроэнергия на пути от станции к потребителю проходит через 3-4 этапа трансформации, а общая установленная мощность трансформаторов в мире в 7-8 раз превышает мощность всех генераторов. Именно поэтому точный инженерный расчет этих устройств является критически важной задачей. От него напрямую зависят надежность электроснабжения и экономическая эффективность всей сети. КПД современных силовых трансформаторов достигает высочайших значений в 95-99,5%, и борьба идет за каждый десятый процент.
Цель данной курсовой работы — спроектировать трехфазный силовой трансформатор с заданными параметрами, который не только соответствует всем техническим требованиям и стандартам, но и обладает высоким коэффициентом полезного действия. Определив эту цель, необходимо сформулировать исходные данные, которые станут отправной точкой для всех последующих инженерных расчетов.
Глава 1. Формулировка технического задания и анализ исходных данных
В основе любого инженерного проекта лежит четко сформулированное техническое задание. Оно определяет стартовые условия и ограничения, делая все последующие расчеты обоснованными и целенаправленными. В рамках данной курсовой работы мы будем проектировать трехфазный двухобмоточный силовой трансформатор с масляным охлаждением.
Исходные данные для расчета сведены в следующий перечень:
- Номинальная мощность (Sном): 1000 кВ·А. Этот параметр определяет, какую полную мощность трансформатор может передавать в длительном режиме работы.
- Номинальное напряжение обмотки высокого напряжения (ВН): Указывает напряжение на первичной обмотке.
- Номинальное напряжение обмотки низкого напряжения (НН): Определяет напряжение, которое получит потребитель на вторичной стороне.
- Схема и группа соединения обмоток: Задает фазовый сдвиг между напряжениями ВН и НН, что критически важно для параллельной работы трансформаторов.
Ключевым критерием оптимизации в нашем случае будет достижение приемлемых паспортных данных, включая потери и КПД, при соблюдении конструктивных и тепловых ограничений. Имея на руках все исходные данные, мы можем приступить к первому и самому главному этапу — электромагнитному расчету, который определит фундаментальные характеристики будущего трансформатора.
Глава 2. Электромагнитный расчет как основа будущей конструкции
Электромагнитный расчет — это фундамент, на котором строится вся дальнейшая конструкция трансформатора. На этом этапе определяются ключевые электрические и магнитные параметры, от которых зависят габариты, масса и экономические показатели устройства. Расчет выполняется в несколько последовательных шагов.
1. Расчет номинальных токов обмоток. Первым делом необходимо определить токи, протекающие через обмотки высокого (ВН) и низкого (НН) напряжения при номинальной нагрузке. Расчет ведется по известной формуле:
Iном = Sном / (√3 * Uном)
Эта величина является исходной для выбора сечения проводов обмоток и расчета потерь в меди.
2. Определение основных размеров магнитной системы. На этом этапе, основываясь на мощности и выбранных конструктивных коэффициентах, определяются диаметр стержня магнитопровода, его сечение и основные габариты. Эти размеры напрямую влияют на магнитные характеристики и массу всей конструкции.
3. Расчет потерь. Эффективность трансформатора определяется двумя основными видами потерь:
- Потери холостого хода (Pхх): Это потери в стали магнитопровода, вызванные перемагничиванием и вихревыми токами. Они практически не зависят от нагрузки.
- Потери короткого замыкания (Pкз): Это, в основном, тепловые потери в обмотках, зависящие от квадрата тока нагрузки.
4. Расчет коэффициента полезного действия (КПД). КПД является главным показателем энергоэффективности трансформатора. Он рассчитывается для различных уровней нагрузки (например, 50%, 75%, 100% и 125%), чтобы оценить, насколько эффективно устройство будет работать в реальных условиях эксплуатации. Максимальный КПД достигается тогда, когда переменные потери (в меди) становятся равны постоянным (в стали).
Результаты электромагнитного расчета дают нам все необходимые данные для перехода к проектированию физических компонентов трансформатора, начиная с его «сердца» — магнитной системы.
Глава 3. Проектирование магнитной системы трансформатора
Магнитная система, или сердечник, является конструктивной основой трансформатора, служащей для концентрации и направления магнитного потока. От ее правильного проектирования напрямую зависят потери холостого хода, масса и стоимость всего устройства.
Первым шагом является выбор типа конструкции. Для силовых трансформаторов наиболее распространена стержневая конструкция, где обмотки охватывают стальные стержни. Далее следует обоснование выбора материала. В качестве материала для сердечника применяется специальная электротехническая сталь. Ее ключевые свойства — высокая магнитная проницаемость и высокое удельное сопротивление, что позволяет значительно снизить потери на гистерезис и вихревые токи. Сердечник собирается из тонких, изолированных друг от друга листов, чтобы еще больше уменьшить вихревые токи.
Центральный элемент расчета — определение оптимального сечения стержня и ярма. Сечение стержня выбирается исходя из номинальной мощности трансформатора. Например, для маломощных устройств (36 Вт) оно может составлять 6 см², тогда как для нашего трансформатора в 1000 кВ·А это значение будет в сотни раз больше. Расчет сечения ярма, замыкающего магнитный поток между стержнями, также является важной частью проектирования. Выбранные параметры напрямую влияют на величину магнитной индукции и, как следствие, на потери холостого хода.
Важным критерием оптимизации является соотношение массы стали к массе меди, которое для экономически эффективной конструкции должно находиться в пределах от 4 до 6.
Таким образом, проектирование магнитной системы — это поиск баланса между минимизацией потерь, массы и стоимости. Когда спроектирован «скелет» трансформатора, можно переходить к расчету его «кровеносной системы» — обмоток, которые будут нести электрический ток.
Глава 4. Расчет и конструирование обмоток высокого и низкого напряжения
Обмотки являются важнейшей активной частью трансформатора, в которой и происходит процесс электромагнитного преобразования энергии. Их расчет и конструирование требуют особого внимания к электрической и механической прочности.
1. Расчет числа витков. Число витков для обмоток ВН и НН определяется на основе ЭДС одного витка, которая, в свою очередь, зависит от сечения сердечника и магнитной индукции. Точный расчет витков — залог получения требуемых напряжений на выводах трансформатора.
2. Выбор типа и сечения провода. В качестве материала обмоток используется медь или алюминий. Выбор конкретной марки провода (например, ПЭЛ или ПЭВ с эмалевой изоляцией) зависит от рабочего напряжения и температурного класса. Сечение провода подбирается исходя из рассчитанного номинального тока и допустимой плотности тока. Слишком малое сечение приведет к перегреву, а избыточное — к неоправданному увеличению массы и стоимости.
3. Конструкция и расположение обмоток. В стержневых трансформаторах чаще всего применяются концентрические цилиндрические обмотки. При этом обмотка низкого напряжения (НН) располагается ближе к сердечнику, а обмотка высокого напряжения (ВН) — поверх нее. Такое расположение целесообразно с точки зрения изоляции: между обмоткой НН и заземленным сердечником действует меньшее напряжение, что позволяет уменьшить толщину изоляционного слоя.
4. Обеспечение механической прочности. При коротком замыкании в обмотках возникают огромные электродинамические усилия, способные их разрушить. Поэтому на финальном этапе расчета выполняется проверка механической прочности обмоток на устойчивость к радиальным и осевым силам, возникающим в аварийных режимах.
Мы спроектировали основные активные части, которые выделяют тепло. Следующий логический шаг — обеспечить эффективный отвод этого тепла, чтобы гарантировать долгий срок службы трансформатора.
Глава 5. Тепловой расчет для обеспечения надежной работы
Надежность и долговечность силового трансформатора напрямую зависят от его теплового режима. Любое превышение допустимых температур ведет к ускоренному, необратимому старению бумажно-масляной изоляции и, в конечном счете, к выходу устройства из строя. Цель теплового расчета — доказать, что выбранная система охлаждения способна эффективно отводить тепло и поддерживать температуру всех частей в безопасных пределах.
Процесс расчета включает следующие этапы:
- Определение суммарных потерь мощности. Основными источниками тепла в трансформаторе являются потери в стали сердечника (потери х.х.) и потери в меди обмоток (потери к.з.). Суммарная мощность этих потерь полностью преобразуется в тепловую энергию, которую необходимо отвести в окружающую среду.
- Выбор системы охлаждения. Для трансформатора мощностью 1000 кВ·А, как правило, используется естественное масляное охлаждение (М). В этой системе тепло от активных частей передается маслу, которое циркулирует естественным образом (за счет конвекции) и отдает тепло стенкам бака, а те, в свою очередь, — окружающему воздуху.
- Расчет температур. Выполняется расчет превышения температуры масла над температурой воздуха, а также наиболее нагретых точек обмоток над температурой масла. Это самый ответственный этап, позволяющий определить максимальную рабочую температуру внутри трансформатора.
- Сравнение с нормативными значениями. Полученные расчетные температуры сравниваются с допустимыми значениями, установленными в стандартах, таких как ГОСТ 14209-85 и IEC 60354. Если расчетные температуры ниже нормативных, система охлаждения считается спроектированной правильно.
Превышение рабочей температуры изоляции всего на 6-8 °C сверх нормы сокращает срок ее службы примерно в два раза. Это подчеркивает исключительную важность точного теплового расчета.
Убедившись, что трансформатор будет работать в безопасном тепловом режиме, необходимо свести воедино все расчетные параметры и оценить его итоговую эффективность.
Глава 6. Определение итоговых параметров и характеристик трансформатора
На данном этапе все результаты предыдущих расчетов систематизируются для формирования «паспорта» спроектированного устройства. Эти итоговые параметры характеризуют его эксплуатационные и экономические качества и служат основой для сравнения с аналогами и требованиями стандартов.
Ключевые характеристики трансформатора сводятся в итоговую таблицу.
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Номинальная мощность, кВ·А | 1000 |
| Напряжение ВН/НН, кВ | (Расчетное значение) |
| Номинальные токи ВН/НН, А | (Расчетное значение) |
| Потери холостого хода (Pхх), Вт | (Расчетное значение) |
| Потери короткого замыкания (Pкз), Вт | (Расчетное значение) |
| Напряжение короткого замыкания (uк), % | (Расчетное значение) |
| КПД при 100% нагрузке, % | (Расчетное значение) |
Анализ полученных данных позволяет сделать вывод о качестве проекта. Например, сравнивая соотношение потерь в меди и стали, можно судить об экономической целесообразности конструкции. Значение КПД при различных нагрузках покажет, насколько энергоэффективным получился трансформатор. Если все параметры укладываются в типовые значения для трансформаторов данного класса мощности, можно считать проект успешным. Расчетная часть работы завершена. Теперь необходимо описать требования к ее графическому оформлению, которое является неотъемлемой частью курсового проекта.
Глава 7. Требования к графической части проекта
Графическая часть является неотъемлемым элементом курсовой работы по проектированию силового трансформатора. Она визуализирует результаты расчетов и демонстрирует конструктивные решения, принятые в ходе проектирования. Все чертежи должны быть выполнены в строгом соответствии с требованиями Единой системы конструкторской документации (ЕСКД) и действующих ГОСТов.
В состав обязательной графической части обычно входят следующие чертежи:
- Общий вид трансформатора. Этот чертеж дает полное представление о компоновке устройства. На нем указываются основные габаритные и присоединительные размеры, расположение вводов ВН и НН, расширительного бака, радиаторов системы охлаждения и прочего навесного оборудования.
- Сборочный чертеж магнитной системы. На нем детально показывается конструкция сердечника: шихтовка пластин, геометрия стержней и ярм, элементы стяжки (шпильки, балки).
- Чертежи обмоток ВН и НН. Представляют собой разрезы обмоток с указанием количества витков, размеров провода, расположения изоляционных прокладок и каналов для охлаждения.
Каждый чертеж должен содержать необходимые разрезы, сечения и спецификации, полностью раскрывающие конструкцию представленного узла. Грамотно выполненная графическая часть не только является формальным требованием, но и подтверждает глубокое понимание инженером внутреннего устройства спроектированного им аппарата. Завершив описание всех частей проекта, остается подвести итоги проделанной работы в заключении.
Заключение
В ходе выполнения данной курсовой работы была решена комплексная инженерная задача — проектирование трехфазного силового трансформатора мощностью 1000 кВ·А. Цель работы, заключавшаяся в создании устройства, отвечающего заданным техническим параметрам и стандартам, была полностью достигнута.
Были последовательно выполнены все ключевые этапы проектирования:
- Проведен электромагнитный расчет, определивший основные электрические характеристики и потери.
- Спроектирована магнитная система с выбором оптимального сечения и материала сердечника.
- Рассчитаны и сконструированы обмотки высокого и низкого напряжения.
- Выполнен тепловой расчет, подтвердивший надежность выбранной системы охлаждения.
Итоговые параметры спроектированного трансформатора, сведенные в паспортные данные, соответствуют техническому заданию и находятся на уровне современных аналогов, что подтверждает корректность примененной методики расчета. Выполнение данного проекта позволило получить и закрепить важные навыки в области расчета и конструирования электрических машин, а также научиться применять на практике теоретические знания и нормативную документацию.
Список использованной литературы
- Тихомиров, П.М. Расчет трансформаторов/ П.М. Тихомиров. — М.: Энергоатомиздат, 1986. – 528 с.
- Гончарук, А.И. Расчет и конструирование трансформаторов – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 257 с.
- Васютинский, С.Б. Вопросы теории и расчета трансформаторов.- Л.: Энергия, 1970.
- Дымков, А.М. Расчет и конструирование трансформаторов.- М.: Высшая школа, 1971.
- Сапожников, А.В. Конструирование трансформаторов — М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959.
- Гераськов С. А. Расчет трехфазных силовых трансформаторов с масля-ным охлаждением. Уч. пособие. Чита 2005 г.