Xreferat.com » Рефераты по физике » Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов

Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов

Федеральное агентство железнодорожного транспорта РФ

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ


Кафедра: «Элетроснабжение железнодорожного транспорта »

Дисциплина: «Тяговые и трансформаторные подстанции»


Курсовая работа

«Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов»


Выполнил:

студент группы ЭНС-04-2

Иванов А.К.


Проверил:

ст. преподаватель

Пузина Е.Ю.


Иркутск 2008

СОДЕРЖАНИЕ


1 Термины и определения …………..…………………………………….……4

2 Параметры и режимы работы трансформаторов ………………….……….6

3 Задание на расчёт …………...………………………………………………..16

4 Решение……….………………………………………………………………..17

5 Моделирование оптимального режима работы трансформаторов в среде MATHCAD …………………...…………………………………………………22

Библиографический список……………………………………………………..25

1. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ


График нагрузки (нагрузочная диаграмма) – кривая, показывающая изменение нагрузок за определенный промежуток времени.

Подстанция – электроустановка, служащая для преобразования и распределения электроэнергии и состоящая из трансформаторов или других преобразователей энергии, распределительных устройств, устройств управления и вспомогательных сооружений. В зависимости от преобладания той или иной функции подстанций, они называются соответственно трансформаторными или преобразовательными.

Получасовой максимум – активная нагрузка, являющаяся максимальной из средних 30 – минутных нагрузок наиболее загруженной смены промышленного предприятия.

Потери активной мощности – активная мощность, расходуемая в элементах электрической сети.

Потери электрической энергии – электрическая энергия, расходуемая в элементах электрической сети.

Потребитель электрической энергии – группа электроприемников, объединенных технологическим процессом и размещенных на определенной территории.

Приемник электрической энергии (электроприемник) – аппарат, агрегат, механизм, предназначенный для преобразования электрической энергии в другой вид энергии.

Расчетная нагрузка по допускаемому нагреву – неизменная во времени 30 – минутная нагрузка, которая вызывает такой же нагрев проводников сети или тепловой износ изоляции, как и реальная переменная во времени нагрузка.

Система электроснабжения – совокупность взаимосвязанных энергоустановок, осуществляющих электроснабжение района, города, предприятия.

Электрическая нагрузка – мощность, потребляемая электроустановкой в определенный момент времени.

Электрическая сеть – совокупность электроустановок для передачи и распределения электрической энергии, состоящая из подстанций, распределительных устройств, токопроводов, воздушных (ВЛ) и кабельных линий электропередачи, работающих на определенной территории.

Электрическая энергия - форма энергии движущихся электронов или распределения электрического заряда в пространстве.

Электрооборудование – совокупность электротехнических устройств и (или) изделий.

Электроснабжение – обеспечение потребителей электрической энергией.

Электротехнические устройства – устройства, в которых при их работе производится, преобразуется, передается и распределяется электрическая энергия.

Электроустановка – энергоустановка, предназначенная для производства или преобразования, передачи, распределения или потребления электрической энергии.

Энергопотребление - физическая величина, отражающая количество потребляемого хозяйственным субъектом энергоресурса определенного качества. Используется для расчета показателей энергоэффективности.

Энергосбережение - реализация правовых, организационных, научных, производственных, технических и экономических мер, направленных на эффективное использование энергетических ресурсов и на вовлечение в хозяйственный оборот возобновляемых источников энергии.

Эффективное использование ЭЭ - достижение технически возможной и экономически оправданной эффективности использования ЭЭ при существующем уровне развития технологии и одновременном снижении техногенного воздействия на окружающую среду.

2.ПАРАМЕТРЫ И РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ


Трансформатором называют электромагнитное устройство, имеющее две (или более) индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования одной системы переменного тока в другую. Наибольшее применение в электротехнических установках имеют силовые трансформаторы, посредством которых изменяют значения переменного напряжения и тока.

Простейший силовой трансформатор состоит из магнитопровода, выполненного из листовой электротехнической стали, и двух обмоток, расположенных на его стержнях (рис. 1). Одна из обмоток, которую называют первичной, присоединена к источнику переменного тока Г с напряжением Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов. К другой обмотке, называемой вторичной, подключен электроприемник, имеющий сопротивлениеРасчёт оптимальной загрузки трансформаторов.

Первичная и вторичная обмотки не имеют электрической связи друг с другом, и мощность из одной обмотки в другую передается электромагнитным путем. Магнитопровод, на котором расположены обмотки, служит для усиления индуктивной связи между ними.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в ее витках будет протекать переменный ток Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов, который создает переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь в магнитопроводе, этот поток сцепляется с обеими обмотками и индуцирует в них ЭДС:

в первичной обмотке ЭДС самоиндукции

Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов, (1)

во вторичной обмотке ЭДС взаимоиндукции

Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов, (2)

где Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов-число витков в первичной и вторичной обмотках.

При подключении нагрузки Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов к выводам вторичной обмотки под действием ЭДС Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов создается ток Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов и на ее выводах устанавливается напряжение Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов. В повышающих трансформаторах Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов , а в понижающих Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов.

Из выражений (1) и (2) видно, что ЭДС Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов и Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов отличаются друг от друга из-за разного числа витков Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов иРасчёт оптимальной загрузки трансформаторов, поэтому, применяя обмотки с требуемым соотношением витков, можно изготовить трансформатор на любое отношение напряжений. Отношение ЭДС обмоток, равное отношению числа их витков называется коэффициентом трансформации

Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов.

Обмотку трансформатора, подключенную к сети с более высоким напряжением, называют обмоткой высшего напряжения (ВН); обмотку, присоединенную к сети меньшего напряжения, - обмоткой низшего напряжения (НН).

На рис. 1б показано изображение однофазного трансформатора на принципиальных электрических схемах, а на рис. 1в и г приведена принципиальная схема трехфазного трансформатора и его условное графическое обозначение.

Трансформаторы обладают свойством обратимости, один и тот же трансформатор можно использовать в качестве повышающего и понижающего. Но обычно трансформатор имеет определенное назначение: либо он повышающий, либо - понижающий.

Трансформатор - это аппарат переменного тока. Если его первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока, то магнитный поток в магнитопроводе трансформатора также будет постоянным как по величине, так и по направлению Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов, поэтому в обмотках не будет наводиться ЭДС, а следовательно, электроэнергия из первичной цепи не будет передаваться во вторичную.

Силовой трансформатор состоит из следующих элементов: магнитопровода, обмоток, вводов, бака и др. Магнитопровод с размещенными на его стержнях обмотками составляет активную часть трансформатора. Остальные элементы трансформатора являются неактивными (вспомогательными) частями.

Магнитопровод. Магнитопровод (рис.2) выполняет две функции:

образует магнитную цепь, по которой замыкается поток Ф;

является основой для крепления обмоток.

Магнитопровод состоит из тонких (обычно толщиной 0,5 мм) стальных пластин, покрытых с двух сторон изолирующим лаком. Такая конструкция обеспечивает ослабление вихревых токов, наводимых в магнитопроводе переменным магнитным потоком, и следовательно, снижение потерь энергии в трансформаторе.

Обмотки силовых трансформаторов выполняют из обмоточных проводов круглого или прямоугольного сечения, изолированных хлопчатобумажной пряжей или кабельной бумагой. Основой обмотки в большинстве случаев является бумажно-бакелитовый цилиндр, на котором крепятся элементы, обеспечивающие механическую и электрическую прочность.

Обмотки силовых трансформаторов выполняют, как правило, в виде цилиндров, размещаемых на стержне концентрически: ближе к стержню обычно располагают обмотку НН (требующую меньшей изоляции от стержня), а снаружи—обмотку ВН.

Обмотки разделяют на несколько типов:

1. Цилиндрические однослойные или двухслойные обмотки из провода прямоугольного сечения (рис. 3а) используют главным образом в качестве обмоток НН на номинальный ток до 800 А.

2. Винтовые одно- и многоходовые обмотки выполняют из нескольких параллельных проводов прямоугольного сечения. При этом витки укладывают по винтовой линии, имеющей один или несколько ходов (рис. 3б).

3. Непрерывные обмотки (рис. 3в) состоят из отдельных секций, намотанных по спирали и соединенных между собой без пайки. Непрерывные обмотки получили наибольшее применение, что объясняется их большой механической прочностью и надежностью.

В трансформаторах с масляным охлаждением магнитопровод с обмотками помещен в бак, наполненный трансформаторным маслом (рис.4). Трансформаторное масло, омывая обмотки 2 и 3 и магнитопровод 1, отбирает от них теплоту и, обладая высокой теплопроводностью, через стенки бака 4 и трубы радиатора 5 отдает ее в окружающую среду. Наличие трансформаторного масла обеспечивает более надежную работу высоковольтных трансформаторов, так как электрическая прочность масла намного выше, чем воздуха. Масляное охлаждение интенсивнее воздушного, поэтому габариты и вес масляных трансформаторов меньше, чем у сухих трансформаторов такой же мощности.

Для компенсации объема масла при изменении температуры, а также для защиты масла от окисления и увлажнения при контакте с воздухом применяют расширитель 9, представляющий собой цилиндрический сосуд, установленный на крышке бака и сообщающийся с ним. Колебания уровня масла с изменением его температуры происходят не в баке, который всегда заполнен маслом, а в расширителе, сообщающемся с атмосферой.

Обмотки трансформатора с внешней цепью соединяют вводами 7 и 8. В масляных трансформаторах для вводов обычно используют проходные фарфоровые изоляторы. Такой ввод снабжен металлическим фланцем, посредством которого он крепится к крышке бака. К дну бака прикреплена тележка, позволяющая перемещать трансформатор в пределах подстанции. На крышке бака расположена рукоятка переключателя 6, с помощью которого можно изменять коэффициент трансформации. Это бывает необходимо делать для регулирования напряжения в электрической сети.

Потери и КПД трансформатора. В процессе трансформирования электрической энергии часть ее теряется в трансформаторе. Потери в трансформаторе разделяются на электрические и магнитные.

Электрические (нагрузочные) потери обусловлены нагревом обмоток трансформаторов при прохождении по ним электрического тока. Мощность электрических потерь пропорциональна квадрату тока и определяется суммой потерь в первичной и вторичной обмотках.

Нагрузочные потери определяются по выражению:

Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов,

где Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов- паспортный параметр трансформатора, называемый потерями короткого замыкания; S-мощность, передаваемая через трансформатор; Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов- номинальная мощность трансформатора.

Электрические потери называют переменными, так как их величина зависит от нагрузки S трансформатора.

Магнитные потери возникают в магнитопроводе трансформатора. Их причина - систематическое перемагничивание магнитопровода переменным магнитным полем. Перемагничивание вызывает два вида магнитных потерь: потери от гистерезиса, связанные с затратой энергии на уничтожение остаточного магнетизма в ферромагнитном материале магнитопровода, и потери от вихревых токов, наводимых переменным магнитным полем в пластинах магнитопровода.

С целью уменьшения магнитных потерь магнитопровод трансформатора выполняют из магнитно-мягкого ферромагнитного материала — тонколистовой электротехнической стали. При этом магнитопровод делают шихтованным в виде пакетов из тонких пластин, изолированных с двух сторон тонкой пленкой лака.

При неизменном первичном напряжении магнитные потери, называемые иначе потерями холостого хода Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов постоянны, т. е. не зависят от нагрузки трансформатора.

Суммарные потери в трансформаторе определяются по формуле:

Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов. (3)

Коэффициент полезного действия трансформатора определяется как отношение активной мощности Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов вторичной обмотки (полезная мощность) к активной мощности Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов первичной обмотки (подводимая мощность):

Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов,

где Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов- определяется по формуле (3).

Активную мощность вторичной обмотки можно найти по выражению:

Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов,

где Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов-линейные значения напряжения и тока; Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов- коэффициент мощности; Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов-мощность вторичной обмотки.

Учитывая, что Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов, можно получить выражение для расчета КПД трансформатора:

Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов. (4)

Анализ формулы (4) показывает, что КПД трансформатора зависит от коэффициента его загрузки Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов и от характера (Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов) нагрузки. Эти зависимости иллюстрируются графиками, приведенными на рис.6.

Экономия электроэнергии в трансформаторах. На подстанциях могут устанавливаться несколько трансформаторов, работающих параллельно. В этом случае суммарные потери в них определяются по формуле:

Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов, (5)

где n –число параллельно работающих трансформаторов.

Экономия электроэнергии за счет снижения потерь может быть достигнута параллельным включением трансформаторов при увеличении нагрузки. На рис.7 показаны зависимости потерь активной мощности в одном и двух параллельно работающих трансформаторах от их нагрузки S. Так как потери мощности в одном трансформаторе согласно (5) равны

Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов, (6)

а в двух параллельно включенных трансформаторах

Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов (7)

то равенство Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов будет иметь место при нагрузке, равной

Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов. (8)


3. ЗАДАНИЕ НА РАСЧЁТ


1.Для заданной максимальной нагрузки Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов выбрать необходимую мощность трансформаторов, параметры которых представлены в табл.1.

2. Для выбранного трансформатора построить зависимости суммарных потерь от нагрузки для одного трансформатора и двух, включенных параллельно.

3. Для графика нагрузки в относительных единицах, приведенного на рис.8, и заданной максимальной мощности Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов определить число включенных трансформаторов, обеспечивающее в течение суток минимальные потери электроэнергии.

4.Рассчитать зависимость КПД трансформатора от нагрузки при заданном значении Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов.


Таблица 1

Параметры трансформаторов

Тип и мощность, кВА Рх, кВт Рк, кВт
1 ТМ–25 0.125 0.6
2 ТМ–40 0.180 0.88
3 ТМ–63 0.265 1.28
4 ТМ–100 0.365 1.97
5 ТМ–160 0.540 2.65
6 ТМ–250 0.780 3.7
7 ТМ–400 1.080 5.5
8 ТМ–630 1.680 7.6

Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов

Рис.8. График нагрузки в процентах


4.РЕШЕНИЕ


Задана максимальная нагрузка Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов. Выбор мощности трансформаторов осуществляется по двум условиям:

1.В нормальном режиме работы суммарная номинальная мощность трансформаторов Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов должна превышать Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов.

2.В аварийном режиме при отключении одного трансформатора оставшийся в работе должен обеспечить (с учетом 40% перегрузки) передачу мощности Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов.

Следовательно условия выбора трансформаторов можно записать в виде:

Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов

Для заданной мощности Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов эти условия будут иметь вид

Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов

По табл. 1 выбирается трансформатор Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов.

По формулам (6) и (7) рассчитываются зависимости потерь от нагрузки при одном и двух, параллельно работающих трансформаторах. Результаты расчета сводятся в табл. 2.


Таблица 2

Расчет потерь мощности в трансформаторе

S, кВА

Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов, кВт

Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов, кВт

0 0,78 1,56
20 0,80 1,57
40 0,87 1,61
60 0,99 1,67
80 1,16 1,75
100 1,37 1,86
120 1,63 1,99
140 1,94 2,14
160 2,30 2,32
180 2,70 2,52
200 3,15 2,74
220 3,65 2,99
240 4,19 3,26
260 4,78 3,56
280 5,42 3,88
300 6,11 4,22
320 6,84 4,59
340 7,62 4,98
360 8,45 5,40
380 9,33 5,83
400 10,25 6,30
420 11,22 6,78
440 12,24 7,29
460 13,31 7,82
480 14,42 8,38
500 15,58 8,96

По данным табл. 5 строятся зависимости суммарных потерь от нагрузки, приведенные на рис.9.

Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов

Рис.9. Зависимости потерь от нагрузки


График в относительных единицах, приведенный на рис. 8, пересчитывается в именованные единице по формуле

Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов, Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов,

где i –номер ступени графика нагрузки. Результаты расчетов сводятся в табл.3.


Таблица 3

График нагрузки в именованных единицах

Номер ступени графика

Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов

Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов, кВА

1 20 96
2 30 144
3 80 384
4 100 480
5 45 216
6 25 120

По данным табл. 3 строится график нагрузки (кВА), показанный на рис.10.

Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов

Рис. 10. График нагрузки в именованных единицах


По формуле (8) определяется мощность Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов, при которой выполняется равенство Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов:

Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов кВА.

Число включенных трансформаторов, обеспечивающих минимальные потери энергии в течении суток, определяется по алгоритму:

Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов.

Результаты выбора представляются в виде графика, приведенного на рис.11.


Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов

Рис.11. Оптимальное число включенных трансформаторов

Зависимость коэффициента полезного действия от нагрузки рассчитывается по формуле (4). Коэффициент мощности принимается равным 0,8. Результаты расчета сводятся в табл.4.

Таблица 4

Расчет КПД трансформатора

S, кВА

Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов, %

1 0 0
2 1 50.63
3 5 83.66
4 10 91.05
5 20 95.22
6 30 96.64
7 40 97.34
8 50 97.73
9 60 97.97
10 70 98.12
11 80 98.22
12 90 98.28
13 100 98.31
14 110 98.33
15 114,75 98.33
16 120 98.33
17 130 98.32
18 140 98.30
19 150 98.27
20 160 98.24
21 170 98.20
22 180 98.16
23 190 98.12
24 200 98.07
25 210 98.02
26 220 97.97
27 230 97.92
28 240 97.86
29 250 97.81

По данным строится зависимость КПД от нагрузки, представленная на рис. 12. На рис. 13 показан фрагмент этой зависимости в области максимально возможно КПД.


Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов

Рис.12. Зависимость КПД от нагрузки


Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов

Рис.13. Фрагмент зависимости КПД от нагрузки в области максимального Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов

Путем дифференцирования зависимости Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов по S и приравнивания производной Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов к нулю можно найти нагрузку трансформатора Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов, отвечающую максимально возможному КПД:

Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов.

Данной мощности будет отвечать коэффициент загрузки, равный

Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов.

Ниже приведен текст программы расчета оптимального режима работы трансформаторов в среде MATHCAD.

В отчете по выполнению работы должны быть приведены:

основные расчетные формулы;

исходные данные и результаты расчетов, сведенные в таблицы, аналогичные табл. 1…4;

графики, аналогичные представленным на рис.10…13;

краткие выводы, характеризующие полученные результаты.


5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО РЕЖИМА РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ В СРЕДЕ MATHCAD

Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов

Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов

Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК


1.Батищев В.Е., Мартыненко Б.Г., Сысков С.Л. и др. Энергосбережение: справочное пособие. -Екатеринбург:ЭнергоПресс,1999.-304 с.

2. Кацман М.М. Электрические машины. – М.: Высшая школа, 1990.-463 с.

3. Неклепаев Б.Н. Электрическая часть электростанций и подстанций. -М.: Энергоатомиздат, 1986, -640 с.

4. Справочник по проектированию электроэнергетических систем /Под ред. С.С. Рокотяна и И.М. Шапиро. -М.: Энергоатомиздат, 1985. –352 с.

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту
Нужна помощь в написании работы?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus. Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.

Похожие рефераты: