PHẦN MỞ ĐẦU
NHẬN XÉT, KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Chương 2: Thiết kế máy biến áp a Giới thiệu mục tiêu thiết kế. b Tính toán các tham số cơ bản của máy biến áp. c Tính toán dây quấn. d Tính toán ngắn mạch. e Tính toán hệ thống mạch từ. f Tính toán nhiệt máy biến áp. g Nhận xét, kết luận chương 2.
3.3 Hướng phát triển của đề tài
3 Các tiêu chuẩn phục vụ tính toán, thiết kế máy biến áp
TCVN 8:2015: Quy định về bản vẽ kỹ thuật
4 Các bản vẽ cần thực hiện
STT Tên bản vẽ Khổ giấy Số lượng
1 Bản vẽ tổng lắp ráp máy biến áp A3 01
5 Yêu cầu trình bày văn bản
Thực hiện theo biểu mẫu “BM03” về QUY CÁCH CHUNG CỦA BÁO CÁO TIỂU LUẬN/BTL/ĐỒ ÁN/DỰ ÁN trong Quyết định số 815/ QĐ-ĐHCN ngày 15/08/2019
6 Về thời gian thực hiện đồ án:
Ngày giao đề tài: 11/01/2023 Ngày hoàn thành: 00/00/2023
Chúng ta đang sống trong thời đại công nghiệp hóa hiện đại hóa, trong đó ngành điện đóng vai trò mấu chốt Thiết kế máy điện là một khâu quan trọng, giúp tạo ra các máy phát điện cung cấp năng lượng cho các nhà máy Để truyền tải điện năng hiệu quả, máy biến áp điện lực 3 pha (MBAĐL3P) ngâm dầu là thiết bị không thể thiếu, giúp điều chỉnh điện áp để giảm tổn thất năng lượng MBAĐL3P ngâm dầu ngày càng được sử dụng phổ biến nhờ những ưu điểm vượt trội và không ngừng được cải tiến để đáp ứng nhu cầu người dùng Tôi đã hoàn thiện bài tập lớn môn học nhờ sự hướng dẫn tận tình của thầy Lê Anh Tuấn và kiến thức từ các thầy cô.
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 1
1.1.3 Các đại lượng định mức 3
1.1.5 Chọn vật liệu trong việc thiết kế chế tạo máy biến áp 9
1.2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ THIẾT KẾ MÁY BIẾN ÁP 10
1.3 QUY TRÌNH, CÁC TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ MÁY BIẾN ÁP 11
1.3.1 Quy trình thiết kế máy biến áp 11
1.3.2 Các tiêu chuẩn thiết kế 12
1.4 NHẬN XÉT, KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 15
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MÁY BIẾN ÁP 17
2.1 GIỚI THIỆU MỤC TIÊU THIẾT KẾ 17
2.2 TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ CƠ BẢN CỦA MÁY BIẾN ÁP 17
2.2.1 Ý nghĩa của thông số ban đầu 17
2.2.2 Xác định đại lượng điện cơ bản của máy biến áp 19
2.2.3 Xác định hình dáng chủ yếu của máy biến áp 20
2.2.4 Chọn thông số cơ bản cho máy biến áp 21
2.2.5 Tính toán các thông số máy biến áp 23
2.3 TÍNH TOÁN DÂY QUẤN MÁY BIẾN ÁP 27
2.4.1 Xác định tổn hao ngắn mạch 35
2.4.2 Xác định điện áp ngắn mạch 38
2.4.3 Tính dòng điện ngắn mạch cực đại 39
2.4.4 Tính lực cơ giới lúc ngắn mạch 40
2.4.5 Tính ứng suất của dây quấn 41
2.5 TÍNH TOÁN HỆ THỐNG MẠCH TỪ 42
2.5.2 Chọn kết cấu mạch từ 42
2.5.4 Tính tổn hao không tải 50
2.5.5 Hiệu suất của máy biến áp 53
2.5.6 Chi phí vật liệu tác dụng là 53
2.6 TÍNH TOÁN NHIỆT MÁY BIẾN ÁP 53
2.6.2 Tính toán cụ thể nhiệt của máy biến áp 54
2.7 NHẬN XÉT, KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 63
CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI65 3.1 KẾT LUẬN 65
3.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 65
Hình 1 1: Máy biến áp ba pha ngâm dầu công suất 630kVA 1
Hình 1 2: Sơ đồ nguyên lý làm việc của MBA 1 pha 2 dây quấn 1
Hình 1 3: Các kiểu đấu dây 5
Hình 1 5: Lõi sắt của máy biến áp 3 pha dây quấn kiểu trụ 6
Hình 1 6: Lõi sắt MBA 3 pha kireeur bọc 7
Hình 1 9: a) Dây quấn đồng tâm b) Dây quấn xen kẽ 9
Hình 2 1: Các kích thước chủ yếu của máy biến áp 19
Hình 2 2: Xác định chiều cao của vòng dây 29
Hình 2 3: Xác định kích thước đường kính của dây 30
Hình 2 4: Tiết diện hình chữ nhật 43
Hình 2 5: Loại mạch từ 3 trụ 43
Hình 2 6: Mạch từ loại 5 trụ 44
Hình 2 7: Dạng mạch từ kiểu bọc 44
Hình 2 8: Mối nối tù của thép nguội nga 45
Hình 2 9: Dây quấn đồng trục đơn giản 46
Hình 2 10: Dây quấn phân tán 46
Hình 2 11: Bộ tản nhiệt kiểu ống thẳng 59
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP
Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ Nó có chức năng biến đổi điện áp của hệ thống điện xoay chiều từ mức này sang mức khác, trong khi tần số vẫn giữ nguyên.
Máy biến áp ba pha ngâm dầu có công suất 630kVA, với đầu vào kết nối với nguồn điện được gọi là sơ cấp, và đầu ra kết nối với tải được gọi là thứ cấp.
Máy biến áp được phân loại thành hai loại chính dựa trên điện áp: máy biến áp tăng áp, khi điện áp đầu ra thứ cấp lớn hơn điện áp vào sơ cấp, và máy biến áp hạ áp, khi điện áp đầu ra thứ cấp nhỏ hơn điện áp vào sơ cấp.
Ta xét sơ đồ máy biến áp một pha hai dây quấn Dây quấn 1 có w 1 vòng dây, dây quấn 2 có w 2 vòng dây được quấn trên lõi thép 3.
Hình 1 2: Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy biến áp 1 pha 2 dây quấn
Khi áp dụng điện áp xoay chiều u1 vào dây quấn 1, dòng điện i1 sẽ được sinh ra, tạo ra từ thông φ trong lõi thép, đồng thời cảm ứng sức điện động e1 và e2 ở cả hai dây quấn Dây quấn 2 sẽ tạo ra sức điện động, dẫn đến dòng điện i2 và điện áp u2 đầu ra tải Như vậy, năng lượng của dòng điện xoay chiều đã được truyền từ dây quấn 1 sang dây quấn 2.
Giả sử điện áp xoay chiều đặt vào là một hàm số hình sin thì từ thông do nó sinh ra cũng là một hàm số hình sin. Φ = Φ m sin ωt
-Theo định luật cảm ứng điện từ, sức điện động trong dây quấn 1 và 2 sẽ là: e 1 =− w 1 d Φ dt =− w 1 d Φ m sinωt dt =− w 1 ω Φ m cosωt
=√ 2 E 1 sin ( ωt − π 2 ) ( 1 ) e 2 =− w 2 d Φ dt =− w 2 d Φ m sinωt dt =− w 2 ω Φ m cosωt
Là giá trị hiệu dụng của các sức điện động dây quấn 1 và 2 Các biểu thức
Sức điện động cảm ứng trong dây quan chậm pha so với từ thông sinh ra một góc π/2 Dựa vào các biểu thức đã nêu, hệ số máy biến áp được định nghĩa là k = E1.
Nếu không kể điện áp rơi trên dây quấn thì có thể coi E 1 = U 1 ;
Trong đó, k được coi là hệ số của máy biến áp.
1.1.3 Các đại lượng định mức
Các đại lượng định mức của máy biến áp là những thông số kỹ thuật quan trọng, được quy định bởi nhà chế tạo và thường được ghi trên nhãn của máy biến áp Những đại lượng này đóng vai trò quyết định trong việc xác định hiệu suất và khả năng hoạt động của thiết bị.
1.1.3.1 Dung lượng hay công suất định mức ( S dm)
Là công suất toàn phần hay biểu kiến đưa ra ở dây quấn thứ cấp của máy biến áp Đơn vị kVA hay VA…
1.1.3.2 Điện áp dây sơ cấp định mức: U 1 dm.
Điện áp của dây quấn sơ cấp được biểu thị bằng V hoặc kV Trong trường hợp dây quấn sơ cấp có các đầu phân nhánh, điện áp định mức của các đầu nhánh cũng sẽ được ghi chú.
1.1.3.3 Điện áp dây thứ cấp định mức: U 2dm.
Điện áp dây của cuộn thứ cấp trong máy biến áp không tải được xác định khi điện áp đặt vào cuộn sơ cấp đạt định mức Đơn vị đo lường cho điện áp này là kV hoặc V.
1.1.3.4 Dòng điện dây định mức sơ cấp I 1 dm và thứ cấp I 2 dm.
Dòng điện dây của quấn sơ cấp và thứ cấp tương ứng với công suất và điện áp định mức được tính bằng đơn vị A hoặc kA Để tính toán dòng điện dây định mức, bạn có thể áp dụng công thức phù hợp.
Đối với máy biến áp 1 pha:
Đối với máy biến áp 3 pha:
1.1.3.5 Điện áp ngắn mạch U n % Điện áp ngắn mạch là điện áp giữa hai đầu cuộn sơ cấp khi ngắn mạch cuộn thứ cấp thì dòng điện trong cuộn dây sơ cấp bằng dòng điện định mức. Ý nghĩa: Điện áp ngắn mạch đặc trưng cho điện áp dơi trên tổng trở của cuộn dây máy biến áp khi dòng chạy trong cuộn dây bằng dòng định mức và dùng để xác định tổng trở cuộn dây máy biến áp Khi U dm, S dm tăng thì U n cũng tăng.
Dòng điện không tải, đại diện cho tổn hao không tải của máy biến áp, phụ thuộc vào tính chất từ, chất lượng và cấu trúc lõi thép Hiện nay, việc sử dụng thép chất lượng cao trong chế tạo máy biến áp đã giúp giảm dòng I0 Tỷ lệ I0 % được biểu thị dưới dạng phần trăm so với dòng điện định mức I dm.
1.1.3.7 Tổ đấu dây của máy biến áp
Trong máy biến áp ba pha, các cuộn dây có thể được nối theo ba cách: hình sao (Y), tam giác (∆) và ziczac Khi nối theo hình sao, ba đầu cuối được nối chung, trong khi ba đầu còn lại để tự do Nối theo hình tam giác thì đầu cuối của pha này nối với đầu của pha kia Kiểu nối ziczac chia cuộn dây của mỗi pha thành hai nửa, quấn trên hai trụ khác nhau và nối tiếp ngược nhau Tuy nhiên, kiểu nối ziczac ít được sử dụng do tốn nhiều đồng và thường chỉ thấy trong máy biến áp cho thiết bị chỉnh lưu hoặc máy biến áp đo lường để hiệu chỉnh sai số về góc lệch pha.
Tổ đấu dây của máy biến áp được hình thành từ sự kết hợp giữa kiểu nối dây sơ cấp và thứ cấp, thể hiện góc lệch pha giữa điện áp của hai cấp này.
Hình 1 3: Các kiểu đấu dây Máy biến áp thường dùng các phần chính sau: lõi thép (mạch từ), dây quấn, hệ thống làm mát và vỏ máy.
1.1.4.1 Lõi thép và kết cấu:
THIẾT KẾ MÁY BIẾN ÁP
GIỚI THIỆU MỤC TIÊU THIẾT KẾ
Máy biến áp dầu được thiết kế với các thông số kỹ thuật quan trọng như công suất 630Kva và điện áp 35/0.4 kV Tổ nối dây là dyn 11, với phạm vi điều chỉnh điện áp là ±2 x 2,5% Tần số hoạt động là 50 Hz, tổn hao không tải là 745W, trong khi tổn hao ngắn mạch là PnU70W Điện áp ngắn mạch dao động từ 4-6%, và dòng điện không tải chiếm khoảng 1,5% Đặc biệt, máy biến áp này được thiết kế để sử dụng ngoài trời và hoạt động liên tục.
TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ CƠ BẢN CỦA MÁY BIẾN ÁP
2.2.1 Ý nghĩa của thông số ban đầu. a) Tốn hao ngắn mạch Pn
Pn là thông số tổn hao ngắn mạch của dây quấn thứ cấp, được xác định khi áp dụng điện áp Un vào cuộn sơ cấp để dòng điện đạt giá trị định mức Công suất tổn hao Pn phản ánh tổn hao đồng trong dây quấn máy biến áp và có tác động lớn đến hiệu suất hoạt động của máy biến áp.
+ Pn lớn thì hiệu suất của máy biến áp giảm và ngược lại tuy nhiên trọng lượng đồng tăng làm giá thành tăng. b) Tổn hao không tải Po
Trong thí nghiệm không tải, điện áp định mức được áp dụng ở phía sơ cấp, trong khi phía thứ cấp hở mạch, dẫn đến tổn hao Po trên lõi thép và điện trở của dây quấn sơ cấp Tổn hao trên lõi thép thường chiếm khoảng 0.1% - 0.2% tổng công suất của máy biến áp, bao gồm tổn hao từ trễ Ph và tổn hao từ xoáy Px Trong đó, tổn hao Ph tỉ lệ với bình phương tần số từ hoá và bình phương cảm ứng từ.
- là tổn hao của lõi thép ở tần số từ hoá fPHz tương ứng với cảm ứng từ B =1 (Tesla).
- là khối lượng lõi thép ở đoạn k (kg)
Điện áp ngắn mạch Un là đại lượng quan trọng phản ánh điện trở và điện kháng tản của dây máy biến áp Nó có ảnh hưởng lớn đến tính năng kinh tế của thiết bị, đặc biệt là trong việc tối ưu hóa hiệu suất hoạt động và giảm thiểu tổn thất năng lượng Việc hiểu rõ về Un% giúp cải thiện hiệu quả kinh tế trong quá trình vận hành máy biến áp.
- Khi Un% lớn thì dòng điện ngắn mạch Inm nhỏ nhưng trọng lượng dây quấn đồng tăng nên giá thành tăng.
- Khi Un% nhỏ thì dòng ngắn mạch Inm lớn gây nóng ảnh hưởng đến cách điện
- Thông thường Un= 5.5 - 10%. d) Dòng điện không tải Io
- Là dòng điện chạy trong dây quấn sơ cấp khi dây quấn thứ cấp hở mạch.
Dòng I0x là dòng từ hóa của lõi thép, tạo ra từ thông cùng chiều với từ thông Trong khi đó, I0r là dòng gây tổn hao sắt từ của lõi thép thông thường, với công thức I0r = 0.1 * Io Thông thường, giá trị I0 nằm trong khoảng từ 0,005 đến 0,1 Idm.
2.2.2 Xác định đại lượng điện cơ bản của máy biến áp.
Dựa vào các số liệu ban đầu của nhiệm vụ thiết kế, cần xác định dung lượng một pha là đại lượng điện cơ bản quan trọng.
Dung lượng trong mỗi trụ.
S ’ = S 3 = 630 3 = 210 (kVA) b) Dòng điện dây định mức.
√ 3 U 2 đm (A) Thay số U2đm5.10 3 (V) là điện áp phía cao áp.
√ 3 U 1 đm (A) Thay số U1đm= 0.4(kV) là điện áp phía cao áp.
√ 3 0.4 = 909,33(A) c) Dòng điện pha định mức
- Phía HA nối Y :If1=I1 = 909,33(A) d) Điện áp định mức:
- Phía CA nối ∆ :Uf2= U2= 35 ( kV)
√ 3 = 0.231 ( kV) e) Điện áp thử dây quấn:
Theo tiêu chuẩn Việt Nam ( phụ lục 13):
• Dây quấn cao áp với Ut2= 35kV thì Ut= 80kV.
Hình 2 1: Các kích thước chủ yếu của máy biến áp
• Dây quấn hạ áp với Ut1=0.4kV thì Ut=5 kV.
2.2.3 Xác định hình dáng chủ yếu của máy biến áp
2.2.4 Chọn thông số cơ bản cho máy biến áp.
Xác định tham số để tính kích thước chủ yếu
3 = k √ 4 S ' (cm) (Theo bảng 13.1 tài liệu “Thiết kế máy điện” trang 456 (Trần Khánh Hà))
Dung lượng Sc0kV nên chọn k= 0,58
- Theo bảng XIV.1 và XIV.2 phụ lục ,tài liệu “Thiết kế máy điện” (Trần Khánh Hà)
Ta được: a12=2,7cm, l02=7,5 cm, a22=2 cm, a0l=1,9cm
- Vậy chiều rộng quy đổi từ trường tản: aR= a12+ ( a 1 + a 2 )
3 = 2,7+ 2,2 = 4,9(cm) Điện áp ngắn mạch tác dụng :
Phản kháng của điện áp ngắn mạch:
- Hệ số Rôgovski( K R ) hệ số từ trường tản: K R=0,95
- Chọn cường độ từ cảm Bt trong trụ:
Với S’ = 210 (kVA) , chọn tôn cán nguội mã hiệu 3404 dày 0.35mm với
- Chọn hệ số gông K g = 1,025 ( tỉ lệ giữa tiết diện gông và trụ).
Ép trụ bằng nêm với dây quấn
Không dùng bulong qua trụ và gông
Ép gông bằng xà ép
Sử dụng lõi thép có 4 mối ghép xiên ở 4 góc của lõi, còn 3 mối ở giữa dùng mối ghép thẳng lá tôn.
- Chọn hệ số bậc thang trong trụ:
Theo bảng 13.2-TL1 trang 458, ta chọn bậc thang trụ n=7, bậc thang gông bằng: n-1=6 bậc.
- Hệ số ép chặt của máy biến áp: K c =0,93 ( theo bảng 13.3-TL1)
- Chọn hệ số điền đầy rãnh K d= 0,9 ( theo bảng 13.2 -TL1)
- Hệ số lợi dụng lõi sắt : K ld= K c K d=0,93.0,9=0,837
- Hệ số tăng tổn hao phụ K f = 0,93 ( theo bảng 13.7-TL1)
- Từ cảm khe hở không khí mối nối thẳng: Bk’’ =Bt= 1,6 T
- Từ cảm khe hở không khí mối nối xiên: Bk’ = =1,13 T.
- Suất tổn hao trong trụ và gông : với thép mã hiệu 3404 dày 0.35mm ( theo bảng V.13 phụ lục –TL1) ta có:
+ Suất tổn hao : pt=1,295 W/kg
+ Suất từ hóa: qt= 1,775 VA/kg
+ Suất tổn hao : pg=1,207 W/kg
+ Suất từ hóa: qg= 1,575 VA/kg
- Suất từ hóa ở khe hở không khí:
+Với Bk ’’ = 1,6 (T) tra được qk ’’= 2350 VA/m2
+Với Bk ’ = 1,13 (T) tra dược qk ’ = 2000 VA/m2
• Vậy ta có khoảng cách cách điện chính:
- Giữa trụ và dây quấn hạ áp: a01=0,6cm
- Giữa dây quấn cao áp và hạ áp: a12=2,7cm
- Ống cách điện giữa cao áp và hạ áp 12 = 0,5 cm
- Giữa hai cuộn cao áp: a22,m
- Tấm chắn giữa các pha: δ22=0,3cm
- Giữa dây quấn cao áp đến gông: l0= l01 = l02= 7,5cm
- Đầu thừa của ống cách điện : ld2\m
(theo bảng XIV.1 và XI phụ lục – TL1)
2.2.5 Tính toán các thông số máy biến áp
2.2.5.1 Xác định kích thước d của trụ sắt: d= 16*√ S f U ' β a x B R t 2 k k R ld 2 (*)
Hệ số hình dáng của máy biến áp, dao động từ 1 đến 3,5, có ảnh hưởng đáng kể đến các đặc tính kỹ thuật và kinh tế của thiết bị Tần số lưới là 50Hz, đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất hoạt động của máy biến áp.
Ux= 7,47% thành phẩn phản kháng điện áp ngắn mạch.
Bt=1,6 T: hệ số tự cảm
S’!0 kVA : công suất của máy biến áp aR =4,9cm =4 , 9 ∗ 10 − 2 (m): chiều rộng quy đổi từ trường tản k ld= 0,837 Hệ số lợi dụng lõi sắt
Theo công thức (*) ta thấy d phụ thuộc vào β và có thể đặt là: d = A.x
A là hằng số A = 0.507*√ 4 f U S ' a nx R B k t 2 R k ld 2 = 0.507* √ 4 50 210 ∗ 5 , ∗ 94 % 4 , 9 ∗ ∗ 10 1 , − 6 2 2 ∗ ∗ 0 0 , , 95 837 2
=0.187 d = 0.187* x 2.2.4.2 Xác định khối lượng toàn bộ lõi thép.
I) Trọng lượng trụ thép : (theo công thức 13-9 TL1 trang 462)
Trong đó : + A1,A 2là các hệ số, đối với tôn silic cán nguội ta có:
Với d12= a.d a= d12/d (tra bảng 13.5 TL1 trang 462) ta được: a= 1,4 ( dây quấn đồng)
Vậy trọng lượng trụ thép là : Gt= 433 x , 94 + 79,14 x 2
II) Xác định trọng lương thép trong gông:
Theo công thức 13-11 TL1 trang 462 ta có:
Trọng lượng thép của gông là:
Trị số hướng dẫn b được tính bằng công thức b = 2a²d, theo bảng 13.6 TL1, với kết quả b = 0,46 và e = 0,405 Trong đó, e = 0,405 là hệ số qui đổi tiết diện trụ hình thang về hình chữ nhật, và hệ số gia tăng tổn hao công suất ở góc nối k là p0,18, k dpCu = 2,46.10^-2.
Vậy Gg04,97 x 3 + 33,84 x 2 a) Trọng lượng toàn bộ lõi thép:
GFe = Gt + Gg= 433 x , 94 + 79,14 x 2 + 304,97 x 3 + 33,84 x 2 b) Trọng lượng dây quấn: (theo công thức 13-17 TL1 trang 464)
III) Xác định các hằng số trong biểu thức giá thành cực tiểu của vật liệu tác dụng:
Ta có: x 5 +B x 4 – C.x- D= 0 ( theo công thức 13-22 TL1)
k dqFe k cd( với k dqFe= 1,84 ; k cd= 1,06: hệ số cách điện)
Dùng phần mềm MATLAB để giải phương trình trên ta được x 1,2023.Từ đó ta có = x 4 = 2,09
Khi chọn giá trị Chọn = 2,09, giá thành của máy biến áp thiết kế đạt mức tối thiểu, thể hiện phương án tối ưu về kinh tế Tuy nhiên, cần lưu ý rằng phương án này cũng phải đáp ứng các tiêu chí kỹ thuật trong giới hạn sai số cho phép.
Từ x = 1,2023 ta xác định được các thông số sau:
- Trọng lượng trụ thép là :
- Trọng lượng thép của gông là:
- Trọng lượng toàn bộ lõi thép:
Gdd = k cd.k dc.Gdq = 1,03 1,03 400,8 = 425,21 (kg) Hệ số k cd = 1,03 dùng để tính thêm phần cách điện của dây quấn, trong khi hệ số k dc = 1,03 được áp dụng để điều chỉnh điện áp cho phần dây dẫn ra.
IV) Kiểm tra sơ bộ điểu kiện phát nóng: xmax≤ 4,5.√ 2 k , f 4 P C n 1 = 4,5 √ 2 0 , , 4.579 95.5570 , 37 =2,307
Ta thấy x= 1,2023 < xmax= 2,307 như vậy điều kiện phát nóng được đảm bảo
V) Trọng lượng một góc của lõi:
G0= 0,486.10 4 k g.k ld.A 3 x 3 (theo công thức 13-21 TL1)
VI) Tiết diện tác dụng của trụ:
Tk =Tt = 0,785.k ld.A 2 x 2 = 0,785 0,837 0,187 2 1,2023 2 = 0,033(m 2 ) VII) Tổn hao không tải của máy biến áp :
: hệ số phụ chủ yếu kể đến đối với tôn cán nguội =1,25
=1,295 (W/kg ): suất tổn hao trong trụ
=1,207 (W/kg ): suất tổn hao trong gông
VIII) Công suất từ hóa của máy biến áp :
Hệ số phụ chủ yếu cho tôn cán nguội được xác định là 1,25, với suất từ hóa trong trụ là 1,575 (VA/kg) và suất từ hóa trong gông là 1,775 (VA/kg).
IX) Thành phần phản kháng của dòng điện:
X) Mật độ dòng điện trong dây quấn:
Trong đó: k là hằng số phụ thuộc vào điện trở dây quân: k= 2,4.10 -12 đối với dây đồng
Trị số ∆ tb là giá trị gần đúng cho các dây quấn CA và HA, và trị số ∆ tb thực tế cần phải được điều chỉnh để gần sát với trị số này Sai số cho phép không được vượt quá 0,1 ∆ tb, tương đương với 0,1 x 2,35 = 0,235 (A/mm2).
Như vậy trị số mật độ dòng điện trung bình có thể lấy
XI) Khoảng cách giữa 2 trụ:
XII) chiều cao dây quấn sơ bộ : l= π d 12 β = 3 , 14.31 , 5
XIII) Điện áp mỗi vòng dây :
TÍNH TOÁN DÂY QUẤN MÁY BIẾN ÁP
2.3.1 Yêu cầu vận hành a) Yêu cầu về điện
- Chịu được điện áp bình thường và quá điện áp do ngắn mạch trong lưới hay do sét đánh gây nên.
- Cách điện tốt giữa các dây quấn với nhau, giữa dây quấn với vỏ máy, giữa các vòng dây của từng dây quấn. b) Về mặt cơ học
Dây quấn được thiết kế để không bị biến dạng hoặc hư hỏng khi chịu tác động của lực cơ học từ sự cố hoặc dòng điện ngắn mạch Đồng thời, dây quấn cũng có khả năng chịu nhiệt tốt, đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định trong các điều kiện khắc nghiệt.
- Khi vận hành bình thường cũng như trong trường hợp ngắn mạch ở một thời gian nhất định, dây quấn không được có nhiệt độ quá cao.
2.3.2.Tính toán dây quấn hạ áp.
1 Số vòng dây 1 pha của dây quấn hạ áp :
11 , 72 = 19 , 71(vòng) Làm tròn số w1 vòng
Với : #1: điện áp dây quấn hạ áp trên 1 trụ
2.Tiết diện dây dẫn sơ bộ hạ áp :
It = I1= If1 = 909,33(A ): dòng điện pha ở cuộn hạ áp trên 1 trụ sắt
3 Cường độ từ cảm thực trong trụ sắt :
= 0,033 m 2 tiết diện hữu hiệu của trụ sắt.
*Dây quấn hình chữ nhật :
1) Số dây quấn trong 1 lớp :
- Dây lớp 3 lớp: w l 1 = W 1 n n = 3 số lớp dùng dây quấn kép.
2) Chiều cao hướng trục của mỗi vòng dây : h vl = l w l 1 + 1 = 47,325
6 , 67 + 1 = 6 , 17 (cm) Làm tròn lấy h vl= 6cm
Với : = G,325cm - chiều cao của quận dây.
Ta chọn dây dẫn hình chữ nhật :
4,5 12,5 : kích thước dây trần (mm)
5,6 13,6: kích thước dây có cách điện (mm)
,3: tiết diện dây dẫn ( mm 2 )
Chiều cao hướng trục của cuộn hạ áp :
Hình 2 2: Xác định chiều cao của vòng dây
4) Tiết diện của mỗi vòng dây :
Trong đó : = 4 : số sợi chập
5) Mật độ dòng điện thực trong dây quấn :
6) Chiều cao tính toán của dây quấn hạ áp : l 1= h v 1 ( w l 1 + 1) +( 0 , 5 ÷ 1 , 5 )
Trị số ( 0, 5 ÷ 1,5) (cm ) : hệ số kể đến việc quấn dây không chặt. l 1 = 6 ( 6 , 67 + 1 )+ 1= 47 (cm)
7) Bề dày dây quấn hạ áp :
Hình 2 3: Xác định kích thước đường kính của dây
- Đối với dây quấn ống kép (3 lớp ):
Trong đó : a11 = 5 mm = 0,5 cm: khoảng cách giữa 2 lớp của dây quấn kép. a’ = 0,56 cm : kích thước dây dẫn có bọc cách điện.
8) Đường kính trong của dây quấn hạ áp :
= 22,5 + 2.0,6 = 23,7 (cm) Trong đó : a01 = 0,6 : khoảng cách cách điện từ lõi trụ đến cuộn hạ áp.Làm tròn D1’= 24 : đường kính trụ.
9) Đường kính ngoài của dây quấn hạ áp :
10) Bề mặt làm lạnh của dây quấn hạ áp :
Với : : hệ số kể đến sự che khuất bề mặt dây quấn do que nêm và các chi tiết cách điện khác. t: số trụ tác dụng, t = 3
2.3.1.3 Tính toán dây quấn cao áp :
1) Xác định số vòng dây của dây quấn cao áp ứng với điện áp định mức :
*) Điện áp làm việc lớn nhất giữa các tiếp điểm của bộ đổi nối :
2) Số vòng dây của 1 cấp điều chỉnh điện áp :
3) Mật độ dòng điện sơ bộ :
- Tiết diện dây quấn sơ bộ : T 2 = I f 2
- Chọn kiểu dây quấn : theo bảng 38 trang 207 tài liệu [1] ( phan tử thụ ) chọn kiểu hình ống nhiều lớp , dây dẫn hình chữ nhật
- Chọn kích thước dây dẫn đồng có :
Chiều dài cách điện =0,4 mm
Tiết diện dây Td2= 4,01 mm
- Tiết diện toàn phần của mỗi vòng dây :
- Mật độ dòng điện thực :
- Số vòng dây trong 1 lớp :
Vậy số lớp dây quấn cao áp ứng với U 5 KW: n 12 = W 2
- Phân phối số vòng dây trong các lớp :
+ Số vòng dây lớp ngoài cùng :
Vậy số lớp dây quấn cao áp ứng với điện áp U5KV có số vòng ngoài cùng là 360,3 vòng gồm 178 lớp
- Điện thế làm việc giữa 2 lớp kề nhau :
+ Ứng với điện áp U = 35KV :
4) Chiều dày cách điện giữa các lớp : a) Đầu thừa cách điện giữa các lớp trên đầu dây dẫn quấn : l d 2 = 3 ( cm ) b) Giấy cách điện giữa 2 lớp : δ 12 = 3 × 0 , 12 = 0 , 36 ( mm )
5) Xác định kích thước ống cách điện giữa cao áp và hạ áp : a) Bề dầy ống cách điện : δ 12
' = 5 mm = 0 , 5 cm b) Rãnh dầu dọc trục giữa cuộn dây cao áp và hạ áp ; a12 = 2,7 (cm) c) Đường kính trong của ống cách điện :
DT12),64– 0,5 = 29,14(cm) d) Đường kính ngoài của ống cách điện :
= 29,64 + 0,5 = 30,14(cm) e) Chiều dài ống cách điện :
= 47 + 2.3 = 53 (cm) f) Kích thước ống cách điện giữa cuộn dây cao áp và hạ áp :
6) Bề dày cuộn dây cao áp :
Trong đó : m = 4 : số lớp của tổ lớp bên trong cuộn dây. n = 10 : số lớp của tổ lớp bên ngoài cuộn dây. δ12 = 0,36 mm: bề dày giấy cách điện giữa 2 lớp.
7) Đường kính trong của dây cao áp :
8) Đường kính ngoài của dây cao áp:
9) bề mặt làm lạnh của dây quấn:
= 5,3 m 2 Trong đó với dây quấn áp cao áp gồm hai ống dây thì n=2, k=0,8
TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH
Tính toán ngắn mạch bao gồm việc xác định tổn hao ngắn mạch Pn, điện áp ngắn mạch và dòng điện cực đại khi xảy ra ngắn mạch In Ngoài ra, cần xem xét lực cơ giới tác động lên dây quấn và hiện tượng phát nóng của dây quấn trong quá trình ngắn mạch.
2.4.1 Xác định tổn hao ngắn mạch
Tổn hao ngắn mạch của máy biến áp hai dây quấn là tổng tổn hao khi một dây quấn ngắn mạch, trong khi dây quấn còn lại được cấp điện áp định mức Un, nhằm đảm bảo dòng điện trong cả hai dây quấn đạt mức định mức.
Tổn hao ngắn mạch gồm các thành phần sau:
1.Tổn hao chính: Là tổn hao đồng trong dây quấn HA & CA di dòng điện gây ra PCu2,PCu1.
2 Tổn hao phụ trong hai dây quấn: Do từ thông tản xuyên qua dây quấn làm cho dòng điện phân bố không đều trong tiết diện dây gây ra Pr1,Pr2.
3 Tổn hao phụ trong dây dẫn ra: Prf1,Prf2: Thường tổn hao này rất nhỏ có thể bỏqua.
4 Tổn hao trong vách thùng dầu và kết cấu kim loại khác Pt: do từ thông tảngây nên, thường thì tổn hao phụ được tính gộp vào trong tổn hao chính bằng cáchthêm vào hệ số tổn hao phụ Kf.
Vậy tổn hao ngắn mạch là:
-Tổn hao trong dây quấn HA
PCU tỉ lệ bình phương của mật độ dòng điện, do đó khi cố định PCU, nếu GCU tăng thì phải giảm Tuy nhiên, việc giảm GCU để giảm trọng lượng đồng không mang lại hiệu quả lớn, mà còn làm tăng tổn hao đồng có thể vượt quá mức cho phép Điều này dẫn đến việc dây quấn nóng hơn, yêu cầu sử dụng nhiều dầu và cần tính toán thêm cho hệ thống tản nhiệt.
1) Trọng lượng đồng của 1 cuộn dây hạ áp :
2) Trọng lượng đồng dây quấn cao áp :
3) Trọng lượng đồng của 2 dây quấn cao áp và hạ áp :
4) Tổn hao đồng: a) Ở dây quấn hạ áp : P cu 1 = 2 , 4 ∆ 2 G cu 1 (W) ¿ 2 , 4 2 , 385 2 163 , 3 = 2229 , 33 ( W ) b) Ở dây quấn cao áp : ¿ P cu 2 = 2 , 4 ∆ 2 G cu 2 ( W ) ¿ 2 , 4 1,845 2 309 , 4 = 2527 , 69 ( W ) c) Tổn hao đồng: P cu = P cu 1 + P cu 2 = 4757 (W)
Tổn hao dây dẫn ra :
Trước hết ta xác định chiều dài dây dẫn ra gần đúng như sau :
1) Đối với cuộn hạ áp (đấu Y): lr1 = 7,5.l =7,5 47,325 = 354,94 (cm) ≈ 355 (cm)
2) Đối với cuộn cao áp (đấu ∆ ): lr2 = 14 l 47,325= 662,55 (cm)
3) Xác định trọng lượng dây dẫn ra : a) Đối với dây quấn hạ áp :
Trong đó : γCu = 8900 ( kg/m3 ) : điện trở suất của đồng b) Đối với dây quấn cao áp :
4) Xác định tổn hao đồng trong dây dẫn ra : a) Đối với dây dẫn hạ ra hạ áp :
2 G r 1 = 2 , 4.2 , 385 2 3,011 = 41,105 ( W ) b) Đối với dây dẫn hạ ra cao áp :
I) Tổn hao trong vách thùng và các chi tiết kim loại khác :
1) Tổn hao trong vách thùng :
2)Tổn hao ngắn mạch của máy biến áp :
Pn = PCu1.K f1 + PCu2.K f2 + Pr1 + Pr2 +PT ( W )
Trong đó : PCu1 : Tổn hao đồng trong dây quấn hạ áp.
PCu2 : Tổn hao đồng trong dây quấn cao áp.
K f1 : Hệ số kể đến tổn hao phụ trong dây quấn hạ áp.
K f2 : Hệ số kể đến tổn hao phụ trong dây quấn cao áp.
Thay số ta được: Pn"29,33.1,02+2527,69.1,01+39,6+3,6+157,5= 5027,59 (W)
3) mật độ nhiệt trên bề mặt dây quấn
2.4.2 Xác định điện áp ngắn mạch
Trị số Un là một tham số rất quan trọng ảnh hưởng tới những đặc tính vận hành cũng như kết cấu của máy
Khi Un% bé thì dòng điện ngắn mạch Inlớn gây nên lực lượng cơ học trong máy biến áp lớn
Khi Un% lớn thì điện áp giáng U ở trong máy biến áp tăng lên ảnh hưởng đến các hộ dùng điện
Sự phân phối tải giữa các máy biến áp hoạt động song song với điện áp định mức (Un) khác nhau là không hợp lý Tải không được phân phối theo tỉ lệ với dung lượng của máy biến áp mà tỉ lệ nghịch với điện áp ngắn mạch (Un%).
Ta đã biết điện áp ngắn mạch toàn phần Un=√ U nr
1) Thành phần điện áp ngắn mạch tác dụng
2) Thành phần điện áp ngắn mạch phản kháng
Máy ta thiết kế S= 630 Kva
3) Điện áp ngắn mạch toàn phần
Vì đề tài cho phép Un từ 4%-6% nên Un đạt yêu cầu.
2.4.3 Tính dòng điện ngắn mạch cực đại
1) Trị số hiệu dụng của dòng điện ngắn mạch
2) Trị số dòng ngắn mạch cực đại
+ phía cao áp i max2 = ( I n2 + I n2 e − π U U nx nr ) √ 2
2.4.4 Tính lực cơ giới lúc ngắn mạch
Lực này có chiều xác định bằng quy tắc bàn tay trái, lực này phân phối đều trên dây quấn
2) lực F’Tlà lực tác dụng ép của 2 dây quấn theo chiều trục F’T lớn nhất ở giữa 2 dây quấn và hai đầu ép lại và có khuynh hướng làm sập những vòng dây ngoài cùng nếu không chặt
Do cuộn dây phân bố đều theo chiều cao dây quấn nên lực dọc trục thứ 2
Lực ép cực đại ở giữa chiều cao dây quấn F c = F ' T nên lực đẩy gông F G = 0
2.4.5 Tính ứng suất của dây quấn
1) ứng suất do lực hướng kính gây nên σ k = Fσ
Ta thấy F k 1 > F k 2 nên đảm bảo cao ta tính theo lực hướng kính lớn nhất σ k = F k 1
2) ứng suất do lực chiều trục gây nên σ e = Fe π D 1
= 1 , 93 NM / m 2 σ e = 1 , 93 NM / m 2 đạt tiêu chuẩn với máy công suất S ≤ 630 KVA ( e 18
TÍNH TOÁN HỆ THỐNG MẠCH TỪ
Trong thiết kế máy biến áp, việc lựa chọn vật liệu như vật liệu tác dụng, vật liệu cách điện, vật liệu dây dẫn và vật liệu kết cấu mạch từ đóng vai trò quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến tính năng và hiệu suất hoạt động của máy.
Các vật liệu dùng để chế tạo máy biến áp gồm có:
- Thép kĩ thuật điện dẫn từ.
- Đồng hay nhôm dùng làm dây quấn.
- Thép làm thùng, vỏ máy.
- Sứ cách điện và các vật liệu cách điện khác.
2.5.1.1.Chọn vật liệu dẫn điện.
Chúng tôi chọn vật liệu đồng do tính dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, cùng với độ bền cơ học cao Đối với dây hạ áp, chúng tôi ưu tiên sử dụng dây có tiết diện lớn và hình chữ nhật để phù hợp với dòng điện cao Trong khi đó, dây cao áp được chọn với tiết diện nhỏ và hình tròn do dòng điện thấp hơn.
2.5.1.2 Chọn vật liệu dẫn từ.
Vật liệu dẫn từ được chia thành hai loại: thép kĩ thuật cán nóng và thép kĩ thuật cán lạnh Thép kĩ thuật cán lạnh được ưu tiên chọn lựa nhờ vào hàm lượng silic cao, giúp giảm tổn hao và nâng cao đặc tính từ cảm, với độ từ cảm đạt từ 1.45 đến 1.75 Việc sử dụng thép này không chỉ giảm trọng lượng mà còn giảm tổn hao dòng điện và tổn hao không tải, từ đó làm giảm giá thành máy Để đảm bảo cách điện, người ta thường sử dụng sơn emay.
Dựa vào đặc tính của thép ta chọn thép cán nguội (Nga 3404 dày 0.35mm).
2.5.2 Chọn kết cấu mạch từ
Mạch từ của máy biến áp được cấu thành từ thép kỹ thuật cán nguội Nga 3404 với độ dày 0,35mm, trong khi lõi thép không chỉ đóng vai trò là mạch từ mà còn là khung cho dây quấn.
Từ thông lõi thép là từ thông biến thiên có dạng: Ф=Фm.sinωt
Để giảm thiểu tổn hao công suất do dòng xoáy (dòng Foucault) và từ trở, các lá thép cần được cách điện với nhau bằng sơn cách điện, với hệ số điền đầy đạt 0.92.
- Các yêu cầu đối với lõi thép:
+ Các dòng tổn hao phải nhỏ.
- Tôn silic ít được sử dụng.
- Độ bền cơ học cao.
+ máy biến áp có ba dạng mạch từ chính :
2.5.2.2 Đặc điểm từng loại. a Mạch từ kiểu trụ.
Trong mạch từ kiểu trụ, dây quấn ôm lõi sắt chỉ giáp ở phía trên và dưới Kích thước và hình dáng của dây quấn phụ thuộc vào kiểu dáng thiết kế Dây quấn có tiết diện hình chữ thập mang lại khả năng chịu lực điện ngắn mạch tốt nhất và đồng thời cũng là lựa chọn tiết kiệm nhất.
Hình 2 4: Tiết diện hình chữ nhật
Máy biến áp công suất nhỏ thường dùng tiết diện hình chữ thập.
Mạch từ kiểu trụ có hai loại chính:
- Loại 3 trụ : loại này chế tạo dễ, tốn ít thép sử dụng rộng rãi với máy công suất vừa và nhỏ.
- Loại 5 trụ: Loại này giảm được chiều cao, ứng dụng với các máy biến áp công suất lớn tới hàng trăm nghìn KVA. b Mạch từ kiểu bọc.
Hình 2 5: Loại mạch từ 3 trụ
Hình 2 6: Mạch từ loại 5 trụ
Hình 2 7: Dạng mạch từ kiểu bọc
Mạch từ kiểu bọc có lõi thép bao quanh dây quấn, với dây quấn sơ cấp và thứ cấp được đặt ở trụ giữa Mạch từ khép kín này không chỉ bao bọc dây quấn mà còn có trụ giữa gấp đôi so với hai trụ bên, dẫn đến từ thông cũng tăng gấp đôi Tuy nhiên, do khả năng chịu lực kém, loại mạch từ này ít được sử dụng trong truyền tải điện lực.
- Ưu điểm: Dễ chế tạo, tiết kiệm trọng lượng thép, ứng dụng với máy biến áp công suất vừa và nhỏ.
- Nhược điểm: Chiều cao mạch từ lớn khó di chuyển, chịu lực kém.
Với đề tài thiết kế này, ta chọn mạch từ ba pha kiểu trụ loại ba trụ.
3 Chọn tiết diện trụ thép.
Hình dáng tiết diện trụ thép phụ thuộc vào tiết diện dây quấn.
Thông thường có ba loại chính:
Với đề tài này, ta chọn tiết diện nhiều cấp để giảm tổn hao và tăng hiệu suất máy biến áp.
Hình a: Tiết diện vuông Hình b: Tiết diện chữ thập Hình a: Tiết diện nhiều cấp
Hình 2 9: Dây quấn đồng trục đơn giản
Có thể chia làm hai loại: ghép mối nối và ghép xen kẽ.
- Ghép mối nối: Gông và trụ được ghép riêng sau đó nối với nhau, dạng này có khe hở không khí lớn nên tổn hao lớn nên ít dùng.
- Ghép xen kẽ: Các lá thép của trụ và gông được ghép xen kẽ nhau sau đó được bắt chặt bằng ốc vít hoặc xà ép.
5 Cách phân bố cuộn dây máy biến áp theo hình dáng mạch từ.
Trong quá trình thiết kế máy biến áp ta có thể bố trí cuộn dây theo hai loại như sau:
Dây quấn đồng trục bao gồm dây hạ áp nằm bên trong và dây cao áp ở bên ngoài, giúp dễ dàng cách điện cho dây cao áp Dây quấn thường được quấn sang trái, với dây hạ áp quấn đồng trục từng vòng liên tục Dây cao áp được phân thành các bánh dây, ở giữa có khe hở để làm mát.
Hình 2 8: Mối nối tù của thép nguội nga
- Dây quấn phân tán( hai lần đồng trục): dùng để giảm điện áp ngắn mạch.
2.5.3 Tính toán cuối cùng mạch từ
Sau khi xác định kích thước và trọng lượng của dây quấn để đảm bảo điện áp ngắn mạch (Un) và công suất tổn hao (Pn) đạt yêu cầu, chúng ta sẽ tiến hành tính toán cuối cùng cho mạch từ nhằm xác định kích thước cụ thể của các bậc thang của trụ sắt Tiếp theo, cần tính toán dòng điện không tải và tổn hao không tải của máy biến áp.
2.5.3.1 Xác định kích thước cụ thể của lõi sắt
Ta chọn kết cấu lõi thép kiểu ba pha ba trụ,loại thép lá sử dụng là loại tôn lạnh,cắt vát các góc lá thép.
Tiết diện trụ có 8 bậc và gông có 7 bậc.
1 Diện tích của các bậc thang của tiết diện trụ.Tra bảng(theo tài liệu 1 trang
2 Tổng chiều dày của các lá thép của tiết diện trụ:
3 Toàn bộ tiết diện bậc thang của trụ:
4 Tiết diện hữu hiệu của trụ:
T T = T b T K d ( tra bảng 10 trang 198 tài liệu 10 chọn Kd=0.97)
Hình 2 10: Dây quấn phân tán
5 Diện tích bậc thang của nửa tiết diện gông.Chọn gông 7 bậc,6 bậc đầu trùng với 6 bậc của trụ Còn bậc ngoài cùng tương ứng với 2 bậc ngoài cùng của trụ.Tra bảng ta được:
6 Toàn bộ tiết diện bậc thang của gông
7 Tiết diện hữu hiện của gông
8 Chiều rộng của gông( có rãnh làm lạnh) b G = ∑ b t + n r + b r = 2.10 , 1 + 2.0 , 8 = 21 , 8 ( cm )
' + l 0 l 0 ' , l 0 là khoảng cách dây quấn đến gông trên và gông dưới.Theo như trên ta chọn l0= l01 = l02= 7.5cm l T = 47 + 7 , 5 + 7 , 5 = 62 cm
10 Khoảng cách tâm trục của 2 cạnh bằng nhau
11 Trọng lượng gông( trọng lượng sắt)
12 Trọng lượng sắt một mạch từ Đó là phần chung nhau của trụ và của gông giới hạn bởi 2 trụ vuông góc nhau ¿= 2 Kd 10 − 6 ( a 1 T a 1 G b 1 T + a 2 T a 2 G b 2 T + + a nT a nG b nT ) a 1 T a 1 G là chiều rộng của từng tệp lá thép trụ và gông ở mối nối b 1 T b 1 G … là chiều dày của các tệp lá thép trụ trong 1 nửa tiết diện gông ¿= 2.0.97.8900.10 − 6
13 Trọng lượng sắt ở 4 mối nối góc là
14 Trọng lượng sắt toàn phần của gông là:
T T = 396,148 cm 2 l t = 62 cm t=3 ( số trụ dây quấn)
Thay số ta được:G ' t = 3.396,148 62.8900 10 − 6 = 655,783 kg
16 Trọng lượng sắt của phần nối trụ với gông
17 Trọng lượng sắt toàn bộ của trụ
18 Trọng lượng sắt toàn phần của lõi thép
2.5.4 Tính tổn hao không tải
1 Lõi thép àm bằng tôn cán lạnh 3404 dày 0.35mm
Do đó trị số tự cảm trong lõi sắt là:
Tự cảm của mối nối nghiêng là:
2 Suất tổn hao trong trụ và gông, mối nối nghiêng:
Tra bảng 45( phụ lục 1) ta được:
=1,295 (W/kg ): suất tổn hao trong trụ
=1,207 (W/kg ): suất tổn hao trong gông
3 Hình dáng tiết diện gông ảnh hưởng đến sự phân bố từ cảm trong trụ và gông cho nên phải đưa thêm vào hệ số tăng cường ở gông k GP =1
Mặt khác do yêu tố công nghệ ảnh hưởng rất nhiều tới yếu tố không tải.Bởi vậy, phải kể đến 1 số hệ số sau:
Hệ số tổn hao do tháo lắp gông trên để lồng dây quấn vào trụ làm chất lượng lá thép giảm, tổn hao tăng lên.Thường K Tp=1,021,05 chọn K Tp = 1 , 02
Hệ số tổn hao do ép trụ K ep = 1 , 02
Hệ số tổn hao do cắt dập tôn: K cp = 1
Hệ số tổn hao do mép cắt hoặc bavia: K bp = 1
Với K f = K gp K ep K cp K tp K bp = 1.1 , 02.1 1,02.1=1,04
P 0 được tính chính xác như sau:
Trong đó Kd là hệ số biểu thị số lượng góc nối
Thay số vào công thức trên ta được:
Vậy so lệch P 0 nhỏ hơn so với tiêu chuẩn là:
5 Công suất từ hóa không tải
K G=1: Hệ số làm tăng công suất từ hóa ở gông
K ti=1.02: Hệ số kể đến sự tăng tháo lắp
K bi=1.1 : Hệ số kể đến việc cắt gọt bavia với lá thép ủ
K ei=1.04: hệ số ảnh hưởng của việc ép mạch từ
Hệ số kể đến việc tăng công suất từ hóa ở các góc nối trụ và gông của lõi thép:
Với các thông số trên thay vào công thức ta tính được Qo)73,47 (VAr)
6 Thành phần phản kháng dòng điện không tải: i 0 x % = Q 0
7 Thành phần tác dụng của dòng điện không tải: i 0 r % = P 0
8 Dòng điện không tải toàn phần: i 0 % =√ i 0 x % 2 + i 0r % 2 = √ 0.472 2 + 0.112 2 = 0.485%
9 Trị số dòng điện không tải của dây quấn CA
2.5.5 Hiệu suất của máy biến áp
Hiệu suất của máy biến áp lúc tải định mức là:
2.5.6 Chi phí vật liệu tác dụng là
1 Tổng trọng lượng dây quấn là:
2 Tổng trọng lượng dây quấn kể cả cách điện:
3 Tổng trọng lượng toàn bộ lõi sắt:
TÍNH TOÁN NHIỆT MÁY BIẾN ÁP
Tính toán nhiệt trong máy biến áp là quá trình xác định nhiệt độ ở trạng thái ổn định khi máy hoạt động liên tục với tải định mức Trong trạng thái này, toàn bộ nhiệt lượng phát ra từ dây quấn và lõi sắt được khuếch tán ra môi trường xung quanh Quá trình khuếch tán nhiệt từ dây điện có thể được phân loại thành các giai đoạn: đầu tiên, nhiệt từ dây quấn hoặc lõi sắt truyền ra cuộn ngoài tiếp xúc với dầu qua dẫn nhiệt; tiếp theo, nhiệt từ bề mặt ngoài dây quấn hoặc lõi sắt vào dầu; sau đó, nhiệt từ dầu ở bề mặt ngoài dây quấn hay lõi sắt truyền tới mặt trong thùng dầu thông qua đối lưu; tiếp theo là quá trình truyền nhiệt từ dầu vào vách thùng dầu; và cuối cùng, nhiệt từ vách thùng dầu được tỏa ra không khí xung quanh qua bức xạ đối lưu.
Nói chung trong phần tính toán nhiệt của máy biến áp gồm các phần sau:
Tính nhiệt độ chênh qua từng phần
Chọn kích thước thùng dầu đảm bảo tỏa nhiệt tốt, nghĩa là làm sao cho nhiệt độ dây quấn lõi sắt và dầu không quá mức quy định.
Kiểm tra nhiệt độ chênh của dây quấn, lõi sắt và dầu với không khí.
Tính toán nhiệt độ cho máy biến áp là một quá trình phức tạp, có ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ của thiết bị Quy trình này cũng liên quan đến việc thiết kế thùng dầu và các bộ phận tản nhiệt khác để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
2.6.2 Tính toán cụ thể nhiệt của máy biến áp
2.6.2.1 Tính toán nhiệt độ chênh qua từng phần
Nhiệt độ chênh trong lồng dây quấn hay lõi sắt với mặt ngoài của nó:
Gọi ❑ 0 là nhiệt độ chênh
❑ cd : là suất dẫn nhiệt của lớp cách điện của dây quấn ta chọn
❑ cd = 0.0025 ( W cm C ) q: mật độ dòng điện trên bề mặt dây quấn. dây quấn hạ áp: q 1 83,59 dây quấn cao áp : q 2 H1,692
1 Nhiệt độ chênh phía hạ áp:
Vì dây quấn có 2 lớp δ 1 = 3 lớp nên =0.054cm
2 Nhiệt độ chênh phía cao áp :
Vì dây cao áp có 178 lớp nên =5,04 cm
1 Nhiệt độ chênh giữa mặt ngoài dây quấn với dầu ❑ 0 d
Hiệu số nhiệt độ phụ thuộc vào tổn hao của dây quấn và thường được xác định bằng công thức kinh nghiệm Trong trường hợp này, dây quấn sử dụng dây chữ nhật với rãnh dầu ngang.
K 1: hệ số kể đến tốc độ chuyển động của dầu trong dây quấn phụ thuộc vào hệ thống làm lạnh Đây là làm lạnh tự nhiên nên K 1 = 1
K 2: Hệ số chiếu cố đến trường hợp do dây quấn HA ở trong nên dầu đối lưu khó khăn làm dây quấn HA nóng hơn, do đó:
K 2 = 1 đối với dây CA nằm ngoài và HA nằm trong
K 3: hệ số chiếu cố đến sự đối lưu khó khăn của dầu do bề rộng( hay làm chiều cao) tương đối của rãnh dầu ngang
a : chiều dày của dây quấn, tức chiều sâu của rãnh Ta chọn K 3 = 0.8
2 Nhiệt độ chênh trung bình của lòng dây quấn hay lõi sắt với mặt ngoài của nó thường bằng khoảng 2/3 nhiệt độ chênh lệch toàn phần.
Do đó ta có : ❑ 0 tb = 2 / 3 ❑ 0
Ta chọn nhiệt độ cao nhất trong HA hoặc CA
3 Nhiệt độ chênh trung bình của dây quấn đối với dầu
Thay số ta được: ❑ 0 d tb = 86 , 26 C
4 Nhiệt độ chênh giữa dầu và rãnh thùng ❑ 0 dt
Cách tính nhiệt độ chênh lệch này tương tự như ❑ 0 d, phụ thuộc vào mật độ dòng điện qua mặt cách thùng mục thứ 2 Thông thường, nhiệt độ chênh lệch không vượt quá 3-6°C, vì vậy có thể sơ bộ lấy ❑ 0 dt = ¿.
5 Nhiệt độ chênh giữa vách thùng và không khí tk
Nhiệt độ từ vách thùng tỏa ra môi trường xung quanh qua hai phương thức chính: một phần truyền ra bằng phương pháp đối lưu và phần còn lại bằng phương pháp bức xạ.
Việc tính toán nhiệt cho nửa vách thùng và không khí tk liên quan đến mặt bức xạ và đối lưu của thùng, do đó cần căn cứ vào nhiệt độ cho phép giữa dây quấn và không khí tk Cuối cùng, chúng ta sẽ xác định nhiệt độ chênh lệch giữa thùng và không khí Trị số tk phải được kiểm tra để đảm bảo đạt được nhiệt độ chênh lệch cho phép; nếu đạt, ta sẽ chọn sơ bộ tk = 50°C.
2.6.2.2 Tính toán nhiệt của thùng dầu
Thùng dầu không chỉ là vỏ bọc của máy biến áp mà còn là nơi chứa các chi tiết quan trọng như sứ ra của dây quấn cao áp và hạ áp, ống phóng nổ, và bình giãn dầu Do đó, thùng dầu cần đảm bảo khả năng tản nhiệt tốt, các tính năng điện an toàn, độ bền cơ học cao, thiết kế đơn giản và kích thước gọn nhẹ Việc tính toán thùng dầu phải dựa trên yêu cầu tản nhiệt và sau đó tiến hành kiểm tra lại để đảm bảo hiệu suất tản nhiệt đạt yêu cầu.
1 Chọn loại thùng dầu cho máy biến áp Sc0kVA Ta chọn loại thùng có những cánh tản nhiệt bằng tôn bố trí vuông góc với vỏ thùng.
2 Đây là máy biến áp ba pha cấp điện áp 35/0.4 kV
Nên chiều rộng của thùng là:
' ' = 42,4cm (Đường kính ngoài của dây cao áp)
S 1=5,5 cm: khảng cách dây dẫn ra đến vách thùng của cuộn CA
S 2=5 cm: khảng cách dây dẫn của cuộn CA đếb bộ phận nối đất
S 3 =5 cm: khảng cách dây dẫn ra của cuộn HA đến mặt dây quấn CA
S 4 =5,5 cm: khảng cách dây dẫn ra đến vách thùng của cuộn HA
d 1 dây dẫn ra của dây quấn HA ta chọn bề mặt nằm ngang với 4 sợi chập song song nên d 1,6.4=5,44 cm
d 2 khoẳng cách dây dẫn ra của cuộn CA, d 2=0,35cm
3 Chiều dài tối thiểu của thùng:
S 5 : là khoảng cách giữa dây quấn CA và HA
Thay số ta được : A&6,1 cm
H 1 : là chiều dài tính từ thùng đến hết chiều cao lõi sắt
L T cm n =¿ chiều dày tấm lót dưới gông 5 cm h G = T G b G − n r b r
H 2 là khoảng cách tối thiểu từ gông đến nắp thùng ta chọn
5 Sơ bộ tính diện tích bề măt bức xạ và đối lưu của thùng a) Diện tích bề mặt bức xạ Đối với thùng dầu có đáy oval
M fov =[ 2 ( A − B )+ B] H là diện tích thùng thẳng đáy oval
Ta chọn K=1,2:hệ số ảnh hưởng hình đáy mặt ngoài thùng
Để xác định bề mặt đối lưu của thùng M bx,734m², ta cần dựa vào tổng tổn hao và nhiệt độ chênh lệch giữa vách thùng và môi trường xung quanh Công thức tính bề mặt đối lưu sẽ được áp dụng dựa trên các yếu tố này.
Trong đó:∑ p = p 0 + p n =¿702,312 +5570b72,312W tk : là nhiệt độ chênh của thùng dầu so với không khí xung quanh.Ta căn cứ vào những điều kiện sau để chọn.
Nhiệt độ chênh lệch lâu dài cho phép của dây quấn so với môi trường xung quanh khi tải định mức là 60°C Do đó, độ chênh trung bình của dầu so với không khí không được vượt quá 38,533°C.
Do đó nhiệt độ chênh của thùng đối với không khí được tính như sau: tk = dk − dt = 38,533 − 3 = 35,533 C
Ta kiểm tra điều kiện thấy thỏa mãn
Dựa vào bề mặt bức xạ và đối lưu đã tính toán sơ bộ, tiến hành thiết kế thùng dầu với kích thước và hình dáng phù hợp Sau khi hoàn thiện thiết kế, cần tính toán lại bề mặt bức xạ và đối lưu để đảm bảo máy biến áp đạt tiêu chuẩn nhiệt độ chênh lệch cho phép Nếu không đạt yêu cầu, cần điều chỉnh lại thiết kế cho phù hợp.
Với máy biến áp có Sc0kVA như đề tài ta chọn thùng có bộ tản nhiệt kiểu ống thẳng( theo bảng 57 của tài liệu 1)
Bộ tản nhiệt kiểu ống thẳng có nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm hệ số tản nhiệt cao và tiết kiệm nguyên liệu nhờ vào các ống tròn hoặc oval được hàn trực tiếp vào vách thùng Thiết kế của loại tản nhiệt này thường có ống góp đặt vuông góc với vách thùng Chúng tôi sẽ thiết kế bộ tản nhiệt với 2 dãy, mỗi dãy gồm 10 ống trong một dãy kép.
Có kich thước là 505x253mm
7 Tính lại sơ bộ bề mặt đối lưu của thùng:
Diện tích thùng thẳng đáy oval được tính bằng công thức M fov = [2 (A − B) + B] H k, trong đó k = 1, 2, 1,5 là hệ số điều chỉnh theo hình dáng của thùng có ống (theo bảng 59 tài liệu 1) Khi thay số vào công thức, ta có M fov = [2 (287,16 − 84,79) + 3,14.84,79] 214,77 = 131118,502 cm².
8 Tính sơ bộ bề mặt: M đl
Dựa theo điều kiện chọn kích thước A: đảm bảo AH-0.34 (m) do chưa thỏa mãn điều kiện này ta quay lại tính chọn chiều cao A214,77-0.34 1000,77 cm
Dựa theo bảng 63 tài liệu 1 ta chọn bề mặt đối lưu của ống M ôdl = 5,613 m 2
Tính lại bề mặt đối lưu thực tế của thùng:
M dl = M ldl k ht + M n k hn + M ôdl k hô + M gdl k hg ( m 2 )
Trong đó M ldl là điện tích bề mặt đối lưu của thùng phẳng
Thay số ta được M ldl =¿ 12,679m 2
M n = 0 , 5 ¿ là điện tích bề mặt của nắp thùng k h = 1,344 theo như bảng 56 tài liệu 1 về loại thùng dầu đã chọn
M ôdl = 5,613 m 2 là diện tích bề mặt của ống
M gdl = 0.34 m 2 là diện tích bề mặt của ống góp
Thay số ta tính được M dl = 25,623 m 2
Vậy bề mặt đối lưu cần thiết của bộ tản nhiệt là:
Theo bảng 63 bề mặt đối lưu của 1 bộ tản nhiệt gồm các ống thẳng quy về bề mặt thùng phẳng:
Vậy số bộ tản nhiệt cần thiết là: 90,793 m 2
Để đạt hiệu quả tản nhiệt tối ưu cho trọng lượng Gbg 14 kg, cần sử dụng 12 ống với tiêu chuẩn bề mặt tản nhiệt đối lưu cho mỗi ống Tổng diện tích tản nhiệt là 7,884 m², tương đương với 11,516 ống, như đã minh họa trong hình.
2.6.2.3 Xác định trọng lượng ruột, vỏ
Xác định gần đúng theo công thức sau:
G r = 1 , 2( G dq + G Fe + G dr ) Trong đó 1,2 là hệ số kể đến trọng lượng ruột máy được tăng thêm do cách điện
G dq = G Cu = 400 , 8 kg là trọng lượng dây quấn
G Fe = 1054 , 26 kg là trọng lượng lõi sắt
G dr = 425 , 21 kg là tổng trọng lượng dây dẫn ở CA và HA
Thay số ta được : G r = 1 , 2 ( 400 , 8 + 1054 , 26 + 425 , 21 )= 2256,324 kg
Thể tích dầu trong thùng:Vd=Vt-Vr
Vt : thể tích bên trong thùng dầu phẳng
Vr:thể tích ruột máy
( với ❑ rCu =5,56Kg/dm 3 vậy ta chọn = 5,5)
Thay vào công thức ta tính được:VrA0,241dm 3
Vậy thể tích dầu toàn bộ máy biến áp là Vd"56,578dm 3
3 Trọng lượng ống tản nhiệt của bộ tản nhiệt
Vì sử dụng 12 ống với trọng lượng là Gbg,14 kg nên tổng trọng lượng các ống sẽ là Gto.67,145,68
4 Trọng lượng thùng a) Thể tích trong thùng:Vtt=A.B.H0,77.68,89.214,77&66,819 dm 3 b) Thể tích ngoài thùng:
Thay số ta được:V nt = 2800,671 dm 3
Vậy thể tích có thêm bề dày là: V th(00,671-2666,8193,852dm 3
Trọng lượng thùng là: G th = V th
Thay số ta được : G th = 1505,737 kg
V t là thể tích bên trong thùng dầu phẳng
V r là thể tích ruột máy vàV r = 410,241 dm 3
Thay số ta được G d!32,492 kg
6 Trọng lượng của máy biến áp chưa kể nắp máy:
NHẬN XÉT, KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
Chương 2 giúp xác định các thông số kích thước cơ bản của máy biến áp, bao gồm đại lượng dây quấn, tổn hao ngắn mạch, tổn hao không tải và tính toán hệ thống mạch từ Những thông tin này hỗ trợ trong việc tính toán cuộn sơ cấp và thứ cấp, số lượng vòng dây cũng như cách bố trí gông Từ đó, chúng ta có thể tìm ra phương án tối ưu nhất để thiết kế máy biến áp theo yêu cầu ban đầu.
Việc tính toán các thông số của máy biến áp không chỉ giúp xác định các phương pháp bảo vệ hiệu quả, mà còn cung cấp giải pháp khắc phục khi gặp phải tình trạng tổn hao lớn hoặc quá nhiệt.
Máy biến áp làm việc ổn định và hiệu quả hay không phụ thuộc rất lớn vào việc tính toán nhiệt của máy biến áp.
Việc tự học hỏi và tích lũy kiến thức sẽ giúp em nâng cao kỹ năng tính toán Tham khảo các tài liệu phù hợp sẽ góp phần hoàn thiện bài làm của em.
