ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÁY BIẾN ÁP CHỈNH LƯU

MỤC LỤC MỤC LỤC 1 LỜI NÓI ĐẦU 4 PHẦN 1 PHÂN TÍCH CÔNG NGHỆ TẢI 6 1 1 Phân tích công nghệ tải 6 1 2 Tính chất của máy biến áp khi có tải 8 PHẦN 2 MẠCH CHỈNH LƯU 9 2 1 Chọn mạch chỉnh lưu 9 2 2 Tính toá.

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI NÓI ĐẦU 4

PHẦN 1: PHÂN TÍCH CÔNG NGHỆ TẢI 6

1.1 Phân tích công nghệ tải 6

1.2 Tính chất của máy biến áp khi có tải 8

PHẦN 2: MẠCH CHỈNH LƯU 9

2.1 Chọn mạch chỉnh lưu 9

2.2 Tính toán mạch chỉnh lưu 15

2.3 Tính chọn thyristor 16

2.3.1 Điện áp ngược của van: 16

2.3.2 Dòng điện làm việc của van: 16

2.4 Ưu điểm của mạch chỉnh lưu tia 3 pha 17

PHẦN 3: TÍNH TOÁN MẠCH TỪ CỦA MÁY BIẾN ÁP 18

3.1 Chọn tôn silic 18

3.2 Cắt lá thép 18

3.3 Tính chọn sơ bộ mạch từ 19

3.3.1 Chọn số bậc thang trong trụ 19

3.3.2 Từ cảm trong của gông 20

3.3.3 Suất tổn hao trong trụ và gông 20

3.3.4 Suất từ hóa trong trụ, gông và khe hở không khí: 20

3.3.5 Khoảng cách cách điện chính: 21

3.3.6 Các hằng số tính toán 21

3.3.7 Tính sơ bộ các đại lượng có liên quan 23

3.3.8 Tiết diện hữu hiệu của lõi: 30

PHẦN 4: TÍNH TOÁN DÂY QUẤN 31

4.1 Các yêu cầu chung 31

4.1.1 Yêu cầu vận hành 31

4.1.2 Yêu cầu về chế tạo 31

4.2 Tính toán dây quấn hạ áp 32

4.3 Tính toán dây quấn ca 34

PHẦN 5: TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH 41

5.1 Xác định tổn hao ngắn mạch 41

5.1.1 Tổn hao chính: 41

5.1.2 Tổn hao phụ: 42

5.1.3 Tổn hao trong dây dẫn ra 42

5.2 Xác định điện áp ngắn mạch 44

5.2.1 Tính dòng điện ngắn mạch cực đại 45

5.2.2 Tính lực cơ giới lúc ngắn mạch 46

5.2.3 Tính ứng suất của dây quấn 47

5.3 Tính toán cuối cùng mạch từ 48

5.3.1 Xác định kích thước cụ thể của lõi sắt 48

5.3.2 Tính tổn hao không tải 51

5.3.3 Hiệu suất của MBA 55

5.3.4 Chi phí vật liệu tác dụng 55

PHẦN 6: THIẾT KẾ KẾT CẤU MBA 56

6.1 Kết cấu vỏ 56

6.2 Kết cấu ruột máy 56

6.3 Lắp ruột vào vỏ 56

6.4 Bố trí các chi tiết trên nắp máy 56

6.5 Kết cấu máy hoàn chỉnh 57

DANH MỤC HÌNH ẢNH 59

DANH MỤC BẢNG BIỂU 60

LỜI NÓI ĐẦU

Thiết kế MBA là một ngành có quá trình tồn tại và phát triển đã lâu, từkhi xuất hiện ngành chế tạo MBA tới nay đã có biết bao sự cải tiến kỹ thuật đểnâng cao hiệu quả sử dụng máy và hạ giá thành sử dụng Bài viết này của emđược làm bằng những kiến thức lý thuyết là chủ yếu và có thể còn thiếu đi nhiềutính thực tế trong quá trình vận hành và sử dụng

Hà Nội, ngày 30 tháng 11 năm 2022

Đề tài : Thiết kế máy biến áp dùng cho mạch chỉnh lưu, cấp nguồn cho lò

Phân tích công nghệ tải

Phân thích chọn sơ đồ chỉnh lưu

Tính toán mạch từ của máy biến áp

Tính toán dây quấn

Tính toán ngắn mạch

Thiết kế kết cấu MBA

PHẦN 1: PHÂN TÍCH CÔNG NGHỆ TẢI 1.1 Phân tích công nghệ tải

Như ta đã biết khi Cuộn sơ cấp máy biến áp được nối vào lưới điện xoaychiều, còn phía thứ cấp được nối vào bộ tiêu thụ năng lượng điện (tải) ta gọi đó

là chế độ tải của máy biến áp Ở chế độ này, cuộn sơ cấp và thứ cấp đều có dòngđiện chạy Trong máy biến áp có một từ trường tổng do tác động tương hỗ giữa

từ trường do dòng điện cuộn sơ cấp sinh ra và từ trường do cuộn thứ cấp sinh ra

Ở chế độ tải tổn hao tăng so với chế độ không tải do có thêm tổn hao phíathứ cấp

Hình 1.1: Sơ đồ tương đương 2 cuộn dây MBA

Nếu nối điểm a với điểm b thì sẽ có dòng chạy từ a đến b điều đó đã phá vỡ

sự phân bố dòng trong máy biến áp Để có thể nối điểm a với điểm b mà khôngchạy dòng điện, ta phải làm cho điện thế của điểm b bằng điểm a Để làm điều

đó ta đưa vào một sđđ tính toán E’2 có giá trị bằng E1 E’2= E1

Zt U2

Khi thay E2 = E’2 thì điện thế điểm b bằng điện thế điểm a Bây giờ ta cóthể nối điểm a với điểm b mà không có dòng điện chạy

dòng điện phải giảm đi ku lần (Vì S2=E2.I2)

Do đó I2’ =

I2

k u

lên ku2 lần (vì tổn hao công suất tỷ lệ với bình phương điện trở)

I0

X0

Hình 1.3: Sơ đồ tương đương máy biến áp khi tải mắc song song, nối tiếp

1.2 Tính chất của máy biến áp khi có tải

Khái niệm :

trên các điện trở của máy biến áp

Giá trị dòng điện và tính chất tải quyết định vị trí của tam giác sụt áp

ta có thể tính được từ thông và tổn hao trong lõi thép Từ thông tính theo (2.6)còn tổn hao lõi thép tính được:

PFe= CB2=C12=C2E12

Các tính chất của máy biến áp khi có tải là:

- Biến áp làm việc khi giá trị dòng tải không đổi nhưng tính chấttải thay đổi

- Biến áp làm việc khi giá trị dòng tải thay đổi nhưng tính chất tảikhông thay đổi

- Thay đổi diện áp

- Điều chỉnh điện áp máy biến áp

- Chọn máy biến áp theo tải

PHẦN 2: MẠCH CHỈNH LƯU 2.1 Chọn mạch chỉnh lưu

Ta chọn mạch chỉnh lưu 3 pha hình tia

Tổng quan về mạch chinh luu 3 pha hình tia:

+ Thời điểm cấp xung điện áp pha tương ứng phải dương hơn so với trungtính

+ Khi biến áp đấu hình sao (Y)trên mỗi pha A,B,C nối một van.3 catod đấuchung cho điện áp dương của tải ,còn trung tính biến áp, sẽ là điện áp âm Ba

dương hơn điện áp của 2 pha kia trong khoảng thời gian 1/3 chu kì

+ Nếu có các Thyristor khác đang dẫn thì điện áp pha tương ứng phảidương hơn pha kia Vì thế phải xét đến thời gian cấp xung đầu tiên

từ âm đến 0 (từ đóng sang khoá) cho đến khi bắt đầu đặt xung điều khiển vào.+ Điện áp gây nên quá trình chuyển mạch: điện áp dây

T 3

T2

T1 A

Hình 2.4: Chỉnh lưu tia 3 pha

Hình 2.5: Sơ đồ dạng song tia 3 pha

· Lúc  1     2 ® v a  v b  v c v a có giá trị lớn nhất nên T1 mở cho dòng

E v

1





· Lúc  2     3 ® v b  v c  v a v bcó giá trị lớn nhất nên T2 mở cho dòng

E v

3





E: suất điện động phản kháng của động cơ

R

E u

Giả thiết tải : R, L, Eu , chuyển mạch tức thời

Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp:

u1= Umsinθ

u2= Umsin(θ− 2 π

3 )3

+Dòng điện chỉnh lưu bằng dòng điện qua van 1: id = Id = i1

+Dòng điện qua T2, T3 bằng 0: i2 = i3 = 0

Trong nhịp V1: uV2 từ âm chuyển lên 0, khi uV2 = 0 thì T2 mở, lúc này uV1 =

u1 – u2 = 0 và bắt đầu âm nên T1 đóng, kết thúc nhịp V1, bắt đầu nhịp V2

*Nhịp V2: từ  2 ®  3

Lúc này : { u v2 =0 ¿ { u v1 = u 1 − u 2 ¿¿¿¿

T2 mở, T1, T3 đóng

+ Điện áp chỉnh lưu bằng điện áp u2: ud = u2

+ Dòng điện chỉnh lưu bằng dòng điện qua van 2: id = Id = i2

+ Dòng điện qua T1, T3 bằng 0: i1 = i3 = 0

Trong nhịp V2: uV3 từ âm chuyển lên 0, khi uV3 = 0 thì T3 mở, lúc này uV2 =

u2 – u3 = 0 và bắt đầu âm nên T2 đóng, kết thúc nhịp V2, bắt đầu nhịp V3

+ Điện áp chỉnh lưu bằng điện áp u3: ud = u3

+ Dòng điện chỉnh lưu bằng dòng điện qua van 3: id = Id = i3

+ Dòng điện qua T1, T2 bằng 0: i1 = i2 = 0

Trong nhịp V3: uV1 từ âm chuyển lên 0, khi uV1 = 0 thì T1 mở, lúc này uV3 =

u3 – u1 = 0 và bắt đầu âm nên T3 đóng, kết thúc nhịp V3, bắt đầu nhịp V1

Trong mạch dạng sóng của dòng điện phụ thuộc vào tải, tải thuần trở dòng

bằng phẳng hơn, khi Ld tiến tới vô cùng dòng điện id sẽ không đổi: id = Id

Trị trung bình của điện áp tải:

5 6

2

6

3 6 2

 a

Giả sử T1 đang cho dòng chạy qua, iT1 = Id Khi θ=θ2 cho xung điều

nguồn ea và eb Nếu chuyển gốc toạ độ từ θ sang θ2 ta có:

ba

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý mạch động lực

Tại mỗi thời điểm nào đó chỉ có 1 Thyristor dẫn, như vậy dòng điện qua tảiliên tục, mỗi t dẫn trong 1/3 chu kì, còn nếu điện áp tải gián đoạn thì thời giandẫn của các Thyristor nhỏ hơn Tuy nhiên, trong cả 2 trường hợp dòng điện

dẫn dòng điện của Thyristor bằng dòng điện tải Dòng điện Thyristor khoá = 0.Điện áp Thyristor phải chịu bằng điện dây giữa pha có Thyristor khoá với pha

- Trong bộ biến đổi Thyristor: máy Biến áp lực có nhiệm vụ biến đổi điện

áp lưới cho phù hợp với điện áp cung cấp cho động cơ, tạo điểm trung tính, tạopha cho chỉnh lưu nhiều pha, hạn chế biên độ dòng ngắn mạch, giảm di/dt < di/dt

- Hệ thống Thysitor: nắn dòng cho phù hợp với động cơ.

bậc cao sao cho K sb < K sb cp ,với K sb cp phụ thuộc yêu cầu của tải

U

220

1,17 =188,03 (V)

Trong đó: Ud : Điện áp tải của van

U2 : Điện áp nguồn xoay chiều của van

ku : Hệ số điện áp tải (Tra bảng 1.1: ku = 1,17)

knv : Hệ số điện áp ngược (Tra bảng 1.1:knv = √6 )

Ulv : Điện áp ngược của van

Để chọn van theo điện áp hợp lý thì điện áp ngược của van cần chọn phảiđiện áp làm việc

Unv = kdt u Ulv = 1,8 × 460,58 = 829.04 (V)Trong đó: kdt u : hệ số dự trữ ( kdt u =1,5÷ 1,8)

2.3.2 Dòng điện làm việc của van:

Dòng điện làm việc của van được chọn theo dòng điện hiệu dụng chạy quavan

Ilv = Ihd

Dòng điện hiệu dụng Ihd = khd Id =0,58 × 59,5 = 34,51(A)

Trong đó: khd : Hệ số xác định dòng điện hiệu dụng.(khd =0,58)

Ihd : Dòng điện hiệu dụng của van

Id : Dòng điện tải

Với các thông số làm việc ở trên, chọn điều kiện làm việc của van là: có cánhtản nhiệt với đủ diện tích bề mặt, cho phép van làm việc tới 40% Idm v.

Idm v = ki Ilv = 1,4×34,51 = 48,31 (A)

Trong đó: Ki : hệ số dự trữ dòng điện ki=(1,1÷1,4)

Vậy thông số van là: Unv = 829,04 (V)

Idm v = 48,314 (A)

Chọn Thyristor loại T60N1000VOF với các thông sô định mức:

- Đỉnh xung dòng điện : Ipik = 1400(A)

- Dòng điện rò: Ir = 25 (mA)

- Độ sụt áp trên van: ∆U = 1,8 (V)

- Tốc độ biến thiên điện áp

du

- Thời gian chuyển mạch : t cm= 180 µs

- Nhiệt độ làm việc cho phép : Tmax =125oC

2.4 Ưu điểm của mạch chỉnh lưu tia 3 pha

Chỉnh lưu tia 3 pha có chất lượng điện một chiều tốt hơn

+ Biên độ điện áp đập mạch tốt hơn

+ Thành phần sóng hài bậc cao bé hơn

+ Việc điều khiển các van bán dẫn cũng tương đối đơn giản hơn.Dòng điện mỗi cuộn thứ cấp là dòng điện 1 chiều, do biến áp 3 pha 3 trụ

mà từ thông lõi thép biến áp là từ thông xoay chiều không đối xứng làm chocông suất biến áp phải lớn Khi chế tạo biến áp động lực, các cuộn dây thứ cấpphải đấu sao(Y), có dây trung tính phải lớn hơn dây pha vì dây trung tính chịudòng tải chính

PHẦN 3: TÍNH TOÁN MẠCH TỪ CỦA MÁY BIẾN ÁP

3.1 Chọn tôn silic

Lõi sắt là phân mạch từ của MBA, là phần dẫn từ thông chính của MBA

Do đó thiết kế cần phải đảm bảo làm sao cho thỏa mãn những yêu cầu như: tổnhao sắt chính và phụ nhỏ, dòng điện không tải nhỏ, lượng tôn silic sử dụng làmsao cho ít nhất và hệ số điền đầy của lõi sắt lớn Mặt khác, lõi sắt không chỉ làmkhung mà trên đó gắn nhiều bộ phận quan trọng của MBA như: dây quấn, giá đỡdẫn ra, đối với một số MBA còn gắn cả nắp máy để có thể nâng cẩu toàn bộ lõisắt ra khỏi vỏ khi sửa chữa Hơn thế nữa lõi sắt còn có thể chịu được lực cơ họclớn khi dây quấn bị ngắn mạch

Để các yêu cầu đối với mạch từ như trên được thỏa mãn thì việc chọn loạitôn silic như thế nào là rất quan trọng, với silic có độ dày bao nhiêu, thành phầnsilic bao nhiêu là được Khi tôn silic có thành phần silic trong lá tôn cao quá thì

lá tôn sẽ bị dòn, độ đàn hồi kém đi

Ở đây ta chọn loại tôn cán lạnh là vì loại tôn này có ưu điểm vượt trội vềkhả năng dẫn từ và giảm hao mòn so với tôn cán nóng Tôn cán lạnh là loại tôn

có vị trí sắp xếp các tinh thể gần như không đổi và có tính dẫn từ không đẳnghướng, do đó suất tổn hao giảm 2 đến 2,5 lần so với tôn cán nóng Độ từ thẩmthay đổi rất ít theo thời gian dùng tôn cán lạnh cho phép tăng cường độ từ cảm

1,45)T Từ đó giảm được tổn hao trong máy, giảm được trọng lượng kích thướcmáy, đặc biệt là rút bớt được đáng kể chiều cao MBA, rất thuận lợi cho việcchuyên chở Tuy nhiên giá thành tôn cán lạnh có hơi cao hơn nhưng do việcgiảm được chế tạo bởi tôn cán nóng Qua sự so sánh trên tôi quyết đinh dùng tôncán lạnh độ dày 0,35(mm) mã hiệu 3404 làm vật liệu chế tạo MBA

3.2 Cắt lá thép

Do ta sử dụng loại tôn cán lạnh mà do loại tôn cán lạnh có tính dẫn từkhông đẳng hướng nên việc ghép nối giữa trụ và gông không thể thực hiện kiểu

làm tăng tổn hao sắt (Hình 2.1a) mà ta phải dùng mối nối nghiêng hay là phải

đáng kể (Hình 2.1b)

a b

Hướng cán

Hình 3.8: Mối nối giữa gông và trụ

a Mối nối thẳng b Mối nối chéo

Hình 3.9: Lá tôn cắt vát

Khi cắt tôn xong ta sẽ phải xử lý cho tốt bavia, và ta phải ủ lại những lá tônvừa cắt xong để cho những tinh thể kim loại trong vết cắt trở lại định hướng banđầu Các lá tôn kỹ thuật điện sau đó được sơn phủ cách điện mặt ngoài trước khighép chúng lại với nhau

3.3 Tính chọn sơ bộ mạch từ

3.3.1 Chọn số bậc thang trong trụ

Ta chọn tôn cán lạnh mã hiệu 3404 có chiều dày 0,35 mm Theo bảng 11

quấn, ép gông bằng xà ép, không dùng bulông xuyên qua trụ và gông Hệ số

Theo bảng 4 trang 186 [Tài liệu 1] ta chọn số bậc thang trong trụ là 8, có hệ

số chêm kín là: kc=0,928

Số bậc thang của gông lấy nhỏ hơn trụ 1 bậc, tức gông có 6 bậc

⇒ Theo vậy hệ số lợi dụng của lõi sắt là: k1d=kc.kđ=0,928.0,97=0,9 (2.9)

Hình 3.3: Hình vẽ tiết diện trụ với số bậc thang trong trụ là 6

3.3.2 Từ cảm trong của gông

3.3.3 Suất tổn hao trong trụ và gông

Tra theo bảng 45 trang 216 [Tài liệu 1]

Suất tổn hao trong trụ và gông

p t=1 , 295(W / Kg)↔ tương ứng với BT=1,6 T

p g=1 ,207(W /Kg )↔ tương ứng với BT=1,56 T

3.3.4 Suất từ hóa trong trụ, gông và khe hở

không khí:

Tra theo bảng 50 trang 220 [Tài liệu 1] ta có:

q t=1, 775VA/ Kg↔ tương ứng với B

T=1,6 T

q k=23500VA /m2=2 , 35VA /cm2 ↔ tương ứng với BT=1,6 T

3.3.5 Khoảng cách cách điện chính:

C: Khoảng cách giữa 2 trụ cạnh nhau

d : Đường kính đường tròn ngoại tiếp tiết diện ngang của trụ.

Theo bảng 18,19 trang 193 [Tài liệu 1] ta xác định các khoảng cách cáchđiện chính:

3.3.6 Các hằng số tính toán

Tra bảng 12, 13 trang 191 [Tài liệu 1] ta được:

Trị số hướng dẫn đối với dây đồng : a=1,4

Trị số hướng dẫn đối với MBA dầu: b=0,4

Hệ số kf=0,95 (Tra bảng 15 trang 191 [Tài liệu 1])

MBA, ta tính các hệ số

Thay số ta được:

A1=5,633.104.A3.kld.a=5,633.104.0,1753.0,9.1,4=380,4 (kg)

A2=3,605.104.A2.kld.l02=3,605.104.0,1752.0,9.0,075=74,52(kg)Đối với MBA 3 pha thì các hệ số:

B2=2,4.104.kld.kg.A2.(a12+a22) =2,4.104.0,9.1,025.0,1752.(0,027+0,02)=31,87(kg)

S.a2

k f .k ld2.B T2.u nr A2 (2.16)Trong đó:

Đối với dây đồng: kdq=2,46.10-2; kld=0,9; kf=0,95; BT=1,6; unr=1,03;A=0,175; a=1,4

3.3.7 Tính sơ bộ các đại lượng có liên quan

a Trọng lượng 1 góc của lõi

Trong đó: k ' f p T G T : tổn hao trong trụ

k ' f p G G G : tổn hao trong gông

k ' f : hệ số phụ, chủ yếu kể đến vật liệu làm lõi sắt (Đối vớitôn cán lạnh có thể lấy k ' f =1,25)

trong trụ và gông

Thay số ta được: P0=1,25.1, 353.GT+1,25.1,251.GG

=1,69125.GT+1,56375.GG

d Công suất từ hóa lõi thép MBA

Q0= k''f (Q C+Q f+Q δ) (VA) (2.19)

Trong đó: QC=qT.GT+ qG.GG=1,775.GT+1,575.GG. (qT, qG: Suất từhóa trong trụ và gông)

qK=2,35(VA/cm2)

hoàn toàn khi ủ lại lá tôn cũng như sự uốn nắn và ép lõi sắt Chọn k''f =1,25.Thay số vào công thức (2.19) ta được:

Q0=1,25.(1,775.GT+1,575.GG+7,52.TT+71.G’)

Trọng lượng tác dụng của lõi sắt máy biến áp: GFe=GT+GG (Kg) (2.22)

Trong đó: CFe: giá thành của phần lõi sắt CFe=GFe

Cdq: giá thành của dây dẫn

k : Hệ số phụ thuộc và điện trở suất của dây quấn Chọn k=2,4

1.1583

1.2446

1.3160

1.3774

X2= 4√ β2

1.0954

1.3416

1.5492

1.7320

1.8974

X3= 4√ β3

1.1465

1.5540

1.9282

2.2795

2.6135

68.03

55.54

48.10

43.02

39.27

B2.x2=31,87.x2

34.91

42.76

49.37

55.20

60.47

QFe=1,775GT+

1293.32

1389.25

1500.21

1615.70

1732.13

Qf=71.G’

1967.52

2666.79

3308.97

3911.79

4484.99

Q=7,52TT

0.1944

0.2381

0.2749

0.3074

0.3367

Q0=1,25(QFe+

Qf+Q)

4076.31

5070.35

6011.83

6909.75

7771.82

I0=Q0/10.S

0.6470

0.8048

0.9542

1.0968

1.2336

27.71

37.56

46.60

55.09

63.16

TT=0,0236x2

0.0258

0.0316

0.0365

0.0408

0.0447

2.8555

3.0194

3.1601

Ctd=CFe+Cdq

1622.54

1532.37

1513.0

1525.16

1554.02

P0=PT+PG

1203.72

1299.49

1408.25

1520.65

1633.53d=A.x=0,175.x

0.1831

0.2027

0.2178

0.2303

0.2410

Với các số liệu mà ta đã tính toán được trong bảng từ đó ta vẽ đồ thị quan

hệ giữa các đai lượng: P0(W); GFe;Gdq;Ctd(%) với β .

Từ đó ta xác định được Ctdmin ứng với giá trị nào đó

Hình 3.10: Quan hệ tổn hao không tải P 0 và dòng điện không tài i 0 theo β

1554.021500

Hình 3.12:Quan hệ giá thành vật liệu tác dụng theo β .

Theo như bảng tính toán và đồ thị ta thấy:

β≤ 2,4 và với giới hạn I0=1% đó ta tra được trên đồ thị I0=f( β ) trị số β≤

tác dụng, tổn hao không tải, giá thành hệ thống làm lạnh, vật liệu làm thùng dầucũng như các chi tiết khác, do đó trọng lượng tổng của máy tăng lên Bởi thế khi