NÁVRH TRANSFORMÁTORU Postup školního výpočtu distribučního transformátoru Pro návrh transformátoru se zadává: - zdánlivý výkon S [kva ] - vstupní a výstupní sdružené napětí ve tvaru /U [V] - kmitočet f [Hz] - zapojení a hodinový úhel - způsob chlazení Kromě toho jsou normami předepsané tzv. zaručované hodnoty: - ztráty ve vinutí - ztráty v železe - proud naprázdno I 0 v % jmenovitého proudu - napětí nakrátko u K Postup návrhu: 1. Z daných zapojení se určí fázová napětí U f1 a U f. v trojúhelníku U f = U s ve hvězdě U f = Us 3. Zjistíme zaručované hodnoty ztrát naprázdno, proudu naprázdno a procentního napětí nakrátko ( ČSN 35 1110- vzduchové transformátory, ČSN 35110 olejové transformátory). 3. Z výkonů a fázových napětí se určí fázové proudy I f1 a I f, přičemž platí S = 3 U f I f - z fázových hodnot S = 3.U I ze sdružených hodnot 4. Průřez železa jádra určíme z empirického vzorce 3 S.10 SFe C..10-4 [m,kva,hz] k. f Kde C = 4 až 6 pro olejové chlazení přirozené C = 6 až 8 pro vzduchové chlazení k = 1 pro jednofázový plášťový transformátor k = pro jednofázový jádrový transformátor k = 3 pro trojfázový jádrový transformátor Volbou C můžeme ovlivnit poměr železa a mědi. 5. Geometrický průřez železa je větší, neboť mezi plechy je izolace a plechy k sobě těsně nepřiléhají. Je dán vztahem SFe S j = kde činitel plnění = 0,87 0,94 pro plechy válcované za tepla 0,96 pro plechy s keramickou izolací
6. Tvar průřezu jádra volíme odstupňovaný 7. Magnetická indukce závisí na výkonu a můžeme ji určit z rovnice B = 1,1 + 0,14 log S [T, kva ] do 5 MVA výkonu 8. Magnetický tok = B S Fe [Wb,T,m ] 9. Počet závitů N určíme z indukovaného napětí na 1 závit U in U in = 4,44 f [V,Wb,Hz] a je N = U UiN U u lomené hvězdy N = 1,155 Počet závitů zaokrouhlíme na celé číslo, u lomené hvězdy na celé sudé číslo. 10. Počet závitů N 1 určíme ze zaokrouhleného počtu závitů N a převodu. N 1 = N. U u lomené hvězdy N 1 = N. 1,155. U 11. Výška jádra závisí na proudovém zatížení povrchu železa A, které udává celkový proud, připadající na 1m výšky jádra. Pro jeho určení jsou zpracovány empirické diagramy, z nichž jej můžeme určit v závislosti na chlazení a výkonu. I1N1 I N I 1N 1 Pro trojfázový transformátor pak platí vzorec:a = = l l I 1N1 l [m,a,am -1 ] A
1. Průřezy vinutí se určí pro vypočítané fázové proudy z dovolené proudové hustoty, která je pro olejové trafory dána vztahem pro měď - J = (1,65 + 0,8 log S).10 6 [Am -,kva] pro hliník J = (1,5 až ).10 6 Am - u lomené hvězdy hodnotu J zmenšujeme 1,075 krát Jednotlivé průřezy jsou potom I 1 I S1 S J J
13. Profil vodiče a izolace se pak volí podle tabulek vyráběných vodičů. U olejových transformátorů jako izolaci používáme nejčastěji ovin izolačním papírem. Vodiče do průřezu cca 5 mm se používají kruhové, nad tento průřez pak obdélníkové. U průřezů nad 30 mm se používají paralelní větve vodičů. 14. Úprava vinutí nn Mezi vrstvy se vkládá mezivrstvová izolace z lepenky o tloušťce s v = 0, až0,6 mm Izolační vzdálenost e se volí podle průměru d a bývá v rozmezí 4 až 10 mm. Izolační válec pod vinutím je tloušťky s i = až 3 mm. Izolační vzdálenost od jádra se pro různá napětí určí ze vztahu d = U + 8 kv [mm,kv], při napětí do 500V bývá vzdálenost d = 15mm. Výška cívky je l c = l d Šířku plochého vodiče určíme tak, aby platilo L c = (1,0 až 1,15).(N v +n k + 1).b i Kde N v počet závitů v jedné vrstvě n k počet vystřídání paralelních vodičů b i - šířka izolovaného vodiče Konstanta 1,0 až 1,15 zahrnuje vůli mezi vodiči. Při výpočtu se počítá, že na první závit jsou potřebné dvě šířky, proto je v závorce jednička. Šířka holého vodiče je po odečtení izolačního přírůstku b. Po zaokrouhlení na vyráběný rozměr se určí tloušťka vodiče t. S t b kterou také zaokrouhlíme. Ze skutečné šířky vodiče b i se vypočítá skutečná výška cívky zpětně. Tloušťka cívky je a = (1,04 až 1,08). [n v t i + s v ( n v 1 )] kde n v je počet vrstev vodičů v cívce.
15. Úprava vinutí vn Mezivrstvová izolace bývá s v = 0,1až 0,1 mm Izolační vzdálenost mezi vinutím nn a vn závisí na napětí b = 0,5U + 5 kv [mm, kv] Tloušťka izolačního válce je započítána v rozměru b a bývá při napětí 6 kv 1xmm 10 kv 1xmm kv 1x3mm 35 kv 1x5mm 60 kv x6mm 100kV 1x8mm + x6mm 00kV 1x8mm + 3x6mm Vinutí s obvyklým řízením napětí v rozsahu 5% má celkem N 1 + 5% závitů, které je třeba při klasické úpravě rozdělit do jedné nebo dvou cívek odbočkových, ve kterých bude celkově x5% z N 1 závitů a několika cívek normálních, které se navrhují tak, aby na jedné cívce bylo napětí 1 kv. Rozdělení závitů do cívek je třeba navrhnout tak, aby tloušťka všech cívek byla stejná. Dosáhneme toho vhodnou volbou počtu poloh a počtu závitů v jedné poloze. Volba se dělá zkusmo. Mezi jednotlivé cívky se vkládají distanční vložky z lesklé lepenky tloušťky S c = až 3 mm, nebo se dělají olejové kanály široké asi 6 mm. Izolační vzdálenost od železa je podobně jako u cívky nn d 1 = U + 8 kv [mm,kv] Volná délka pro závity cívky vn je předběžně l c1 = l d 1 n sc s c Šířka cívky je b c = (1,03 až 1,06).(N v +1).d i A tloušťka cívky je a = (1,0 až 1,04).[n v d i + (n v 1 ) s p ] Skutečná výška celé cívky vn je l c1 = b c + n sc s c kde n sc je počet distančních vložek mezi cívkami d i je průměr izolovaného vodiče 16. Vzdálenost os jader M = d + c + (a 1 + a + e + b) kde c je izolační vzdálenost mezi vinutími dvou sousedních fází c = 0,7 U + 7 kv [mm, kv] 17. Spojka má šířku rovnou šířce jádra b s = b 1. Při stejné indukci ve spojce jako v jádře je S j = S Fe a výška spojky je Sj hs [m,m,m] bs Po zaokrouhlení vypočítáme skutečný geometrický průřez spojky S s.
KONTROLA NÁVRHU 1. Kontrola převodu pu pn p = *100 [%] (nesmí být větší než 0,5%) pu. Hmotnost vinutí m 1 = 1,05..d S1.N 1.S 1. [kg, m, m, kgm -3 ] m =. d S. N.S. Cu = 8890 kgm -3 Al = 700 kgm -3 3. Odpory vinutí. ds1. N1 R 1 =. S1 d S1 průměr středního závitu. ds. N R =..(1+k) S (1+k) činitel dodatečných ztrát g. g 0, k=.h 4 9 [-,-,cm] h- výška holého vodiče jedné paralelní větve g- počet paralelních větví jednoho závitu Odpor jedné fáze R = R 1 + R 1 N 1 R 1 =R. N Pro lomenou hvězdu R 1 =R. N N1.1,155 4. Reaktance rozptylové indukčnosti jedné fáze, přepočtené na vstupní stranu X = 8.f.N d 1. lc lc1 lc l c =. S a1 a. b 3 d d S = 5. Impedance jedné fáze pak je Z = R X 6. Napětí nakrátko U K = I 1. Z UK.10-6 [,Hz,m] d S1 S u K =. 100 [%, V] - toto vypočtené procentní napětí nakrátko porovnejte se zadaným.
7. Celkové ztráty ve vinutí ( ztráty nakrátko) P j = 3P j1 + 3P j kde P j1 = I 1 R 1 P j = I R Celkové ztráty musí vyhovovat zaručené hodnotě, jinak se musí změnit průřez vinutí. 8. Hmotnost jader a spojek magnetického obvodu m j = 3 S j l [kg,m, m, -, kgm -3 ] m s = S s l s kde = 7600 kgm -3 9. Skutečná magnetická indukce v železe je dána upraveným počtem závitů N 1 a napětím B j = [T,V,m, Hz,] 4,44SFefN 1 B S = B Sj j SS 10. Ztráty v železe se vypočítají z měrných ztrát ( určíme z grafu). P 0 = P Fe = k.(p Bj m j + p Bs m s ) [W, -, W kg -1, kg,] 11. Proud naprázdno je I 0 = I IFe PFe Ztrátový prou určíme ze ztrát v železe I Fe = [A,W,V,] 3 a magnetizační proud určíme z měrného magnetizačního příkonu qjmj qsms I = [A,VA,kg -1,kg,V,] 3
1. Účinnost při jmenovitém zatížení a při cos = 1 Pn P0 Pk =.100 [%,kva,kw,] Pn 13. Trvalý proud nakrátko je R I k = při účiníku cos k = Z Z