Расчет трансформатора заданной мощности и напряжений включает в себя определение размеров магнитной, электрической и охладительной систем, основных электрических и магнитных величин, рабочих свойств и характеристик трансформатора.
При этом выполнение расчета целесообразно разделить на следующие этапы: определение основных электрических величин; предварительный расчет; окончательный расчет; тепловой расчет.
При определении основных электрических величин находят значения линейных и фазных токов и напряжений, испытательное напряжение обмоток, напряжение короткого замыкания, его активную и реактивную составляющие.
Предварительный расчет включает в себя выбор конструкции сердечника и индукции магнитного потока в нем. Выбор материала обмоток, определение диаметра стержня и высоты обмоток.
В рамках окончательного расчета производят выбор, раскладку и расчет обмоток НН и ВН, уточняют размеры сердечника, определяют параметры и характеристики трансформатора. По результатам расчета выполняют чертежи раскладки обмоток и трансформатора в целом.
При выполнении теплового расчета определяют превышение температуры обмоток, состав и размеры охладительной системы, потребное количество охлаждающей жидкости. Необходимо также выполнить эскиз бака с дополнительными охлаждающими элементами.
Следует отметить, что учебный расчет трансформатора является во многом упрощенным вариантом проектирования, поэтому целесообразно считать, что отвод тепла из трансформатора осуществляется масляной системой охлаждения. Её основным элементом является бак с трансформаторным маслом, в который погружается остов трансформатора с обмотками. Масло, являющееся хорошим изолятором, омывает обмотки и сердечник, нагревается и передает тепло стенкам бака. Масляный бак с гладкими стенками имеет относительно небольшую омываемую воздухом внешнюю поверхность, поэтому с увеличением мощности внешнюю поверхность бака увеличивают путем установки навесных охладителей и труб. В трубах и охладителях может естественным или принудительным путем циркулировать масло. Начиная с мощности 10 - 15 тысяч кВА охлаждение внешней поверхности бака усиливают, применяя вентиляторы для обдувания охлаждающих труб, а также насосы для усиления циркуляции масла в них.
|
|
Бак трансформатора обычно заполняют маслом полностью, до самой верхней крышки, поэтому для компенсации температурных изменений объема масла в баке трансформаторы снабжают специальным расширителем. Это стальной бачок, который сообщается с основным баком трубопроводом. Объем расширителя выбирают таким, чтобы при любых колебаниях температуры и объема масла верхний уровень масла оставался в пределах расширителя. Обычно это 8-10 % объема масла в основном баке. Для предохранения масла от окисления кислородом воздуха объем выше уровня масла заполняют инертным газом (азотом) или используют другие способы. Расширитель устанавливают на крышке бака или над ней. Там же устанавливают выводы и вводы обмоток трансформатора, а также различные устройства и приспособления для защиты трансформатора и выполнения необходимых операций по его эксплуатации.
В задании на расчет трансформатора (табл.2.1) указаны:
- номинальная полная мощность S, кВА;
|
|
- число фаз m;
- частота f, Гц;
- Номинальные линейные напряжения обмоток НН U1[В]u
ВН U2, [кВ];
- Схема соединения обмоток НН и ВН (звезда или треугольник) и номер группы соединения обмоток;
- Способ регулирования напряжения.
Кроме этих данных перед началом расчета необходимо выбрать величины, характеризующие режимы холостого хода и короткого замыкания:
- потери холостого хода Рх, Вm;
- ток холостого хода i0, %;
- потери короткого замыкания Pк, Вm;
- напряжение короткого замыкания uк, %
Эти величины можно выбрать из таблицы 2.1, составленной исходя из опыта проектирования серийных промышленных силовых трансформаторов, по значениям, ближайшим к заданному трансформатору, с учетом класса напряжения обмоток. Необходимо также выбрать или определить:
- принципиальную конструкцию магнитной системы трансформатора;
- марку электротехнической стали для сердечника;
- индукцию в стержнях и ярмах сердечника Вс; Вя [Тл ];
- принципиальную конструкцию обмоток;
- материал обмоток (медь или алюминий);
- размеры изоляционных промежутков в обмотках;
- полную мощность одной фазы
Sф= 
, [кВ.А ]. 
(2.1)
Здесь: S - заданная мощность трансформатора; кВ.А;
m - число фаз.
- мощность на одном стержне
S*= 
, [кВ.А]. (2.2)
Здесь: с - число несущих стержней.
(Для трехстежневого трехфазного трансформатора c=3, для двухстержневого однофазного c=2).
- Номинальный линейный ток обмоток НН и ВН трехфазного трансформатора
, 
, [А]. (2.3)
Здесь: U1; U2 - номинально заданные напряжения обмоток НН и ВН, [В ];
S - заданная мощность, [ кВ.А ]
Для однофазного трансформатора
|
|
; 
, [А]. (2.4)
- Номинальный фазный ток обмоток НН и ВН трехфазного трансформатора: при соединении фазных обмоток в звезду или зигзаг
I1ф=I1 ; I2ф = I2, [А]. (2.5)
При соединении в треугольник
; 
, [А] (2.6)
Здесь токи обмоток I1 и I2 определяют по формулам 2.4.
-Номинальные фазные напряжения обмоток НН и ВН трехфазного трансформатора:
При соединении фазных обмоток в звезду или зигзаг
; 
, [В]. (2.7)
При соединении в треугольник
U1ф= U1 ; U2ф=U2, [В]. (2.8)
Здесь: U1 и U2 - номинальные заданные линейные напряжения обмоток НН и ВН.
- Испытательное напряжение обмоток НН и ВН. Это напряжение, на которое производят испытание прочности изоляции обмоток трансформатора. Оно имеет решающее значение при определении изоляционных промежутков между обмотками и другими элементами конструкции трансформатора. Величину испытательного напряжения можно определить по табл. 2.3.
Под классом напряжения обмотки понимают ее длительно допустимое линейное напряжение. Класс напряжения всего трансформатора определяется классом напряжения обмотки ВН.
- Активная составляющая напряжения короткого замыкания uка%.
Эту величину предварительно определяют по выбранному значению потерь короткого замыкания
%, (2.9)
где: Рк- потери короткого замыкания, Вm;
S - полная заданная мощность трансформатора, В.А.
Нетрудно получить более удобную формулу
, [%] (2/10)
Здесь Рк [Вm]; S [кВ.А].
Значение Рк соответствует формуле
, 
[Вm] (2.11)
Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания Uкр при выбранном по таблице 2.1 значении Uк трансформатора и вычисленном по формуле 2.10 значении Uка определяются выражением
[%]. (2.12)
Полученные значения основных электрических величин позволяют перейти к предварительному расчету трансформатора.