ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
"Петербургский государственный университет путей сообщения
Императора Александра I"
______________________________________________________
Кафедра "Электротехника и теплоэнергетика"
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
К КУРСОВОЙ РАБОТЕ
"ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО
ТРАНСФОРМАТОРА"
Дисциплина "Электрические машины"
Выполнил студент группы
__________________
Санкт-Петербург
2023
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.
Преобразовательные трансформаторы служат для согласования напряжения питающей сети и напряжения контактной сети, а также для гальванической развязки цепей нагрузки от питающей сети. Преобразовательные трансформаторы широко применяются в системах электроснабжения на постоянном токе магистрального и промышленного железнодорожного транспорта, городского электротранспорта, электротехнологических установок различного назначения на предприятиях, в системах возбуждения синхронных электрических машин (турбо- и гидрогенераторов, синхронных компенсаторов) и т.д.
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 течении 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 в ТС и нагрузке у преобразовательных трансформаторов происходят значительно чаще, чем у обычных трансформаторов. Поэтому преобразовательный трансформаторы должны рассчитываться на повышенную механическую прочность обмоток и отводов, 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.
Определение основных соотношений
Выпрямленное напряжение холостого хода
=
(1+
)=
3550 (1+
)=
3802 B,
где
номинальное
выпрямленное напряжение, В;
– напряжение
короткого замыкания, %.
Средняя мощность цепи выпрямленного тока
=
=
3802
= 6843,6 кВА.
Номинальные мощности первичной и вторичной обмоток при мостовой трехфазной схеме выпрямления одинаковы
=
=
= 1,05 ∙ 6843,6 = 7186 кВА.
Для
трехфазной мостовой схемы выпрямления
=
1,05.
Типовая мощность трансформатора при мостовой схеме выпрямления
=
= 7186 кВА.
Номинальное фазное напряжения обмотки ВН определяется схемой соединения обмотки ВН, при соединении треугольником
=
.
При соединении треугольником = 35 кВ.
Номинальное фазное напряжение обмотки НН зависит от схемы выпрямления и схемы соединения фаз обмотки НН:
=
, где
– коэффициент, определяемый схемой
выпрямления и схемой соединения фаз
обмотки. При соединении фаз обмотки НН
треугольником
=
1,35.
=
=
2816 В.
Номинальный фазный ток обмотки ВН
=
=
= 69
А.
Номинальный фазный ток обмотки НН зависит от схемы выпрямления и схемы соединения фаз обмотки НН:
=
∙
, где
коэффициент, определяемый схемой
выпрямления и схемой соединения фаз
обмотки. При соединении обмоток НН
треугольником
= 0,472.
= 1800 ∙ 0,472 = 850 А.
Предварительное число витков обмотки НН.
Число
витков должно быть четным и делиться
без остатка на число катушек в одной
параллельной ветви. Число катушек в
параллельной ветви также должно быть
четным. Предварительное число витков
обмотки НН,
:
=
=
= 56,32. Учитывая, что при известном значении
= 7186 кВА,
= 50. Принимаем
= 60. (
).
Новое значение межвиткового напряжения,
соответствующего принятому числу витков
,
должно находиться в пределах рекомендованных
значений
=
=
= 46,9 В.
Предварительное число витков обмотки ВН:
=
= 60
= 745,7 (витков). Принимаем
= 746 витков.
Предварительный расчет магнитопровода
Намагничивающая сила обмотки ВН
=
= 746 ∙ 69
= 51474
А
Намагничивающая сила обмотки НН
=
= 60 ∙ 850 = 51000 А
Суммарная токовая нагрузка стержня магнитопровода:
А = + = 51474 +51000 = 102474 А
Высота стержня
=
,
где
– допустимая линейная токовая нагрузка
стержня магнитопровода, которая
определяется в зависимости от мощности
и напряжения обмотки ВН. Для заданных
исходных данных
= 960 А/см, тогда
=
см.Диаметр стержня магнитопровода определяется следующим образом. Напряжение фазы обмотки ВН
≈
=
= 4,44 ·
S,
где
– амплитуда магнитного потока в
сердечнике;
𝑓 – частота, питающая сети по условию 𝑓=50 Гц
-
амплитуда магнитной индукции в сердечнике
(для трансформаторов данного класса
=
1,55 …. 1,65 Тл), примем
=
1,55;
S -площадь поперечного сечения стали сердечника.
S
=
·
,
где
- коэффициент заполнения объема сердечника
сталью, в диапазоне {0,93…0,96}, примем
;
– коэффициент
заполнения круга, описанного вокруг
стержня сердечника трансформатора,
набираемого из прямоугольных пакетов
разной ширины, в диапазоне {0,85…0,92},
примем
.
Тогда диаметр стержня магнитопровода
=
= 0,54
= 0,54 ·
= =0,54
= 0,54 · 0,846 = 0,457 м.
Значение примем из стандартного ряда значений: = {…42, 45, 48, 50…} см. Для заданных исходных данных принимаем = 48 см.
Опыт проектирования трансформаторов позволил установить оптимальное соотношение высоты и диаметра стержня:
=
1,8 … 3,5. В нашем случае
=
= 2,23, что удовлетворяет этому условию.