ВВЕДЕНИЕ. Изучение электромеханики важно для всех электротехнических специальностей, потому что электромеханические преобразователи (электрические машины) являются

Изучение электромеханики важно для всех электротехнических специальностей, потому что электромеханические преобразователи (электрические машины) являются основными источниками и потребителями электроэнергии. Почти вся электрическая энергия, используемая человечеством, вырабатывается синхронными генераторами, и львиная доля ее потребляется электрическими двигателями с целью преобразования в механическую энергию.

Изучение электрических машин начинается с трансформатора, потому что происходящие в нем физические процессы имеют много общего с процессами во вращающихся машинах. Принцип работы и трансформатора, и электрической машины основан на явлении электромагнитной индукции. Затем на базе теории трансформатора наглядно и удобно излагается теория электрических машин переменного тока.

Трансформатор – это статическое (т. е. без механического движения) электромагнитное устройство для преобразования напряжения переменного тока одной величины в напряжение переменного тока другой величины.

Обычно вся электрическая энергия не может быть использована в месте ее производства – там нет достаточного количества мощных потребителей. И наоборот, в районах с развитой промышленностью возможности строительства новых гидравлических и тепловых электростанций в значительной степени уже исчерпаны. В то же время в Сибири и на Севере имеются огромные, еще не полностью используемые энергетические ресурсы рек и месторождений жидкого, газообразного и твердого топлива. Строящиеся в этих местах и проектируемые электростанции могут питать электрической энергией как ближайшие, так и отдаленные промышленные районы, для чего потребуется построить линии электропередачи длиной 3000–5000 км. Передача электрической энергии на расстояние, ее дробление на части с целью распределения потребителям не могут осуществляться без многократной трансформации напряжения.

Итак, напряжение, получаемое от генератора на электростанции, повышается трансформатором и передается на линию электропередачи. В районе использования напряжение должно быть понижено с помощью трансформатора. В распределительных сетях трансформаторы еще более понижают напряжение с одновременным дроблением мощности на части, соответствующие мощностям нагрузок. Таким образом, в процессе передачи электроэнергии производится 5–6 трансформаций напряжения.

Для энергетических систем характерны следующие основные особенности:

1. Из-за наличия 5–6 ступеней трансформации напряжения трансформаторы являются самыми многочисленными элементами энергосистем.

2. Суммарная мощность трансформаторов на каждой следующей ступени принимается большей, чем на предыдущей. Это объясняется тем, что трансформаторы следующей ступени не бывают все одновременно нагружены до номинальной мощности.

3. Суммарная мощность всех трансформаторов в энергетической системе в среднем в 6–8 раз превышает суммарную мощность генераторов.

В учебной программе по электромеханике запланировано курсовое проектирование трансформатора. Будущие инженеры специальности 140211 – «Электроснабжение» будут проектировать или эксплуатировать в основном распределительные сети и трансформаторные подстанции напряжением до 35 кВ. В них установлены трансформаторы с плоской магнитной системой и регулированием напряжения при полном отключении трансформатора от сети, т. е. переключение без возбуждения (ПБВ).

В настоящем пособии авторы предлагают методы рационального проектирования силовых трансформаторов с учетом места трансформатора в сети, современных конструктивных решений отдельных частей и всего трансформатора, современных материалов и технологии изготовления некоторых узлов трансформатора. В пособии приведены соответствующие минимально необходимые для расчета сведения о современных конструкциях магнитных систем и обмоток и отдельных технологических операциях. Методика расчета трансформаторов и справочные материалы, данные в пособии, позволяют вести расчеты силовых масляных двухобмоточных трансформаторов общего назначения различных мощностей от 63 кВ·А до 6 тыс. кВ·А классов напряжения до 35 кВ включительно. Для удобства пользования все необходимые практические указания и справочные материалы расположены в конце пособия в приложениях.

Задачей пособия авторы считают формирование у студентов представления об основах проектирования силовых трансформаторов. Будущие специалисты в области электроэнергетики на собственном опыте, на основе ручного расчета, должны понять взаимосвязи размеров трансформатора, свойств активных материалов и его технических и экономических параметров с учетом места трансформатора в сети и технологии его производства.

Обширный опыт работы со студентами показал, что расчет обмоток является наиболее трудной частью проекта. Здесь необходимо выбрать тип обмотки НН из шести возможных ее вариантов, а для обмотки ВН – из трех вариантов. Причем отдельные части методики расчетов каждого из этих типов обмоток совпадают, что приводит к многочисленным повторам в изложении материала. В то же время нельзя объединить одинаковые части этих методик в один параграф или использовать многочисленные ссылки, так как это приводит к путанице и заметно затрудняет понимание сути расчетов. Поэтому авторы решили привести подробную методику расчета для каждого типа обмотки.

Часть величин, используемых для расчетов, обозначена нижним индексом «», что означает заданное значение. Такая физическая величина либо указана в задании, либо предварительно рассчитывается по приближенной формуле. Все такие величины рассчитаны только предварительно и в дальнейшем будут уточняться при окончательном расчете. Как правило, такая заданная величина не должна излишне отличаться от уточненной.

Кроме того, величины, которые относятся к обмотке НН, обозначены нижним индексом «», а относящиеся к обмотке ВН – нижним индексом «». Следует учитывать, что эти обозначения не имеют отношения к порядку следования обмоток в схеме соединения, т. е., например, схема соединения означает, что обмотка ВН соединена звездой, а обмотка НН – треугольником.

Часть приведенных в пособии формул являются результатом многих математических преобразований, которые в данном пособии опущены, поэтому даны рекомендации посмотреть вывод таких формул в литературе (прежде всего имеется в виду источник [7]).

Процесс проектирования трансформатора включает получение проектного задания, электромагнитный расчет (выбор основных размеров, расчеты обмоток, параметров короткого замыкания и магнитной системы) и тепловой расчет, разработку конструкции по результатам расчетов.

Обозначение типа проектируемых трансформаторов:

 

ТМ –

трехфазный трансформатор

с естественной циркуляцией масла и воздуха

номинальная полная мощность, кВ∙А

номинальное линейное напряжение ВН, кВ

Курсовой проект состоит из расчетной и графической частей и оформляется в виде пояснительной записки.

Варианты заданий для курсовых проектов приведены в прил. 1. Студентам дневной формы обучения номер варианта выдает преподаватель. Студенты заочного факультета выбирают номер варианта по двум последним цифрам учебного шифра. График выполнения проекта представлен в прил. 2.

Расчетная часть должна быть выполнена максимально подробно. Применяемые формулы должны последовательно приводиться со всеми необходимыми пояснениями, касающимися логики и методики расчета (для чего необходимо найти данную величину, что находится далее, что куда подставляется и зачем, что получается в результате). Каждая переменная, входящая в формулу, должна быть пояснена, все численные величины, которые подставляются в формулы, должны быть показаны, и только после этого приводится окончательный численный результат. Должны быть сделаны все необходимые выводы по поводу соответствия полученных числовых значений величин требованиям ГОСТ 12022–76, ГОСТ 11920–85 или задания. Должны быть приведены необходимые рисунки: эскизы сечения стержня, магнитопровода, расположения обмоток, схемы отводов в обмотке ВН, элементов системы охлаждения, бака с указанием основных размеров. Расчеты должны быть выполнены в Международной системе единиц измерения физических величин (СИ). Допускается применение кратных и дольных единиц от исходных единиц измерения СИ.

Графическая часть содержит три листа чертежей формата А1 (594´841 мм).

Лист 1 (прил. 14).

Остов трансформатора в собранном виде с деталями крепления (ярмовые балки, стяжные шпильки, прессующие бандажи и полубандажи, устройства для подъема и установки активной части) в двух проекциях в масштабе 1:1–1:5 с основными размерами.

План сборки магнитопровода и таблица с размерами пакетов стали в сечениях стержня и ярма.

Установка обмоток на одном стержне с вертикальным и горизонтальным разрезами в масштабе 1:1–1:2. На чертеже изобразить конструкцию обмоток высшего (ВН) и низшего (НН) напряжений, их главной и продольной изоляции с основными размерами. Показать в увеличенном масштабе 2:1–5:1 строение витка, хода, катушки или части обмоток ВН и НН. При большой высоте обмотки или магнитопровода сделать разрыв в средней части.

Лист 2 (прил. 15).

Общий вид трансформатора в масштабе 1:1–1:10 с основными размерами бака, габаритными размерами трансформатора и позициями спецификации. Спецификацию можно включить в расчетно-пояснительную записку. На фронтальной и боковой проекциях начертить бак без передней и боковой стенок, детально показать внутреннее устройство: установку магнитопровода с обмотками, крепление отводов; установку вводов ВН и НН, расширителя, переключателя ответвлений обмотки ВН и другой арматуры. На виде сверху показать установку вспомогательного оборудования и устройств охлаждения.

Лист 3 (прил. 16).

Вводы ВН и НН и схема обмотки ВН с регулировочными ответвлениями для регулирования напряжения.

При конструктивной разработке трансформатора и выполнении графической части проекта следует дополнительно использовать источники [1–6] по приведенному списку литературы.

Все эскизы и чертежи следует выполнять с помощью чертежных инструментов и руководствоваться требованиями ЕСКД и стандарта предприятия.

Состав расчетно-пояснительной записки:

титульный лист (прил. 3);

задание на курсовой проект (составить по прил. 4);

содержание;

введение;

непосредственно сама расчетная часть;

заключение;

список использованных источников.

При оформлении записки следует руководствоваться тре­бованиями ГОСТ 7.32–2001, ГОСТ 7.1–2003, ГОСТ 7.82–2001 к оформлению текстовых документов (некоторая часть этих требований приведена в прил. 17).