Sự thay đổi này được gọi là hoạt động của máy biến áp và mô tả cách máy biến áp thay đổi tín hiệu xoay chiều từ thành phần sơ cấp sang thành phần thứ cấp của nó như trong phương trình tr
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP
Giới thiệu chung về MBA
Máy biến áp, hay còn gọi là biến áp, là thiết bị điện dùng để truyền tải năng lượng hoặc tín hiệu điện xoay chiều giữa các mạch điện thông qua cảm ứng điện từ Thiết bị này bao gồm một cuộn dây sơ cấp và một hoặc nhiều cuộn dây thứ cấp liên kết qua trường điện từ, giúp điều chỉnh điện áp phù hợp với nhu cầu sử dụng.
Hệ thống đầu vào MBA:
Máy biến áp tăng áp và máy biến áp giảm áp: Thường được sử dụng để tăng và giảm điện áp trong lưới truyền tải và phân phối điện
Máy biến áp 3 pha thường được sử dụng nhiều hơn nhờ tính kinh tế cao hơn so với máy biến áp 1 pha Tuy nhiên, khi xem xét đến kích thước và tính dễ vận chuyển, các bộ ba máy biến áp đơn pha phù hợp hơn vì dễ dàng di chuyển và lắp đặt hơn so với máy biến áp ba pha.
Máy biến áp lực, máy biến áp phân phối, máy biến áp đo lường:
Máy biến áp lực thường được sử dụng trong lưới điện để tăng hoặc giảm điện áp, đảm bảo truyền tải điện năng hiệu quả và an toàn Nó hoạt động chủ yếu khi tải cao hoặc trong các thời gian cao điểm, giúp duy trì ổn định hệ thống điện Hiệu suất của máy biến áp đạt tối đa khi hoạt động ở chế độ tải đầy, giúp tối ưu hóa quá trình truyền tải điện năng trong mạng lưới.
Máy biến áp phân phối đóng vai trò quan trọng trong việc giảm điện áp để phân phối cho người dùng hoặc mục đích thương mại, đảm bảo nguồn điện ổn định và an toàn Loại máy biến áp này có khả năng điều chỉnh điện áp chính xác, giúp duy trì hiệu quả hoạt động tối đa Với khả năng hoạt động liên tục 24/24 giờ, máy biến áp phân phối phù hợp để vận hành liên tục, đặc biệt hiệu quả khi tải đạt khoảng 50%.
Máy biến áp 2 cuộn dây và máy biến áp tự ngẫu trước đây thường được sử dụng với tỷ số cuộn cao áp và hạ áp lớn hơn 2 để đảm bảo hiệu quả truyền tải điện năng Tuy nhiên, ngày nay, chúng được sử dụng hiệu quả hơn về mặt chi phí khi phối hợp với các máy biến áp có tỷ số cuộn cao áp và hạ áp nhỏ hơn 2, giúp tối ưu hóa chi phí và nâng cao hiệu suất hệ thống truyền tải điện.
Máy biến áp ngoài trời và máy biến áp trong nhà: Là loại máy thiết kế để lắp đặt ngoài trời hay lắp trong nhà
Máy biến áp làm mát bằng dầu sử dụng dầu máy biến áp làm môi trường truyền nhiệt, giúp làm mát hiệu quả và đảm bảo hoạt động liên tục Trong khi đó, máy biến áp khô được làm mát bằng không khí, phù hợp với những ứng dụng đòi hỏi tiêu chuẩn vệ sinh cao hoặc yêu cầu lắp đặt ngoài trời Cả hai loại máy biến áp này đều có ưu điểm riêng, phù hợp với các điều kiện vận hành khác nhau.
Máy biến áp loại Core type (mạch từ bên ngoài cuộn dây): Shell type (cuộn dây năm bên ngoài mạch từ) và Berry type
Máy biến áp core type có thiết kế gồm hai trụ và hai thanh ngang tạo thành khung, giúp cấu trúc chắc chắn và vững vàng Lõi từ hình vuông với một mạch từ chung đóng vai trò quan trọng trong việc truyền từ hiệu quả cao Các cuộn dây hình trụ, gồm cuộn HV và LV, được đặt trên hai trụ để tối ưu hóa quá trình truyền tải điện năng.
Máy biến áp shell type: Nó có một trụ ở giữa và hai trụ bên ngoài
Cả cuộn HV, LV được đặt trên mổ trụ ở giữa Máy biến áp này có mạch từ kép
Máy biến áp Berry type: Mạch từ trông như hình bánh xe Phần vỏ kim loại được cố định chặt chẽ và đổ đầy dầu bên trong
Máy biến áp có cấu tạo chung gồm 3 bộ phận chính là lõi thép, cuộn dây và vỏ máy
Lõi thép của máy biến áp gồm có trụ và gông, trong đó trụ dùng để đặt dây quấn, còn gông kết nối các trụ tạo thành mạch từ kín Lõi thép được chế tạo từ nhiều lá sắt mỏng ghép cách điện với nhau, thường làm từ vật liệu dẫn từ tốt để tối ưu hóa dẫn từ thông Chức năng chính của lõi thép là dẫn từ thông đồng thời đóng vai trò làm khung giữ dây quấn chắc chắn Đối với các loại biến áp tần số cao trong lĩnh vực truyền thông, lõi thép thường được cấu tạo từ các lá permalloy ghép lại để đạt hiệu suất tối ưu.
Cuộn dây, thường làm bằng đồng hoặc nhôm và được bọc cách điện, đóng vai trò truyền và nhận năng lượng trong hệ thống điện Sử dụng cuộn dây đồng trong biến áp giúp dẫn điện tốt hơn, chống oxi hóa và tăng tuổi thọ thiết bị Cuộn dây sơ cấp nhận năng lượng từ mạch điện xoay chiều, trong khi cuộn dây thứ cấp truyền năng lượng đến tải tiêu thụ.
Số vòng dây ở hai cuộn phải khác nhau, tuỳ thuộc nhiệm vụ của máy mà có thể N1 > N2 hoặc ngược lại
Vỏ máy biến áp, thường được làm bằng thép, gang hoặc tôn mỏng tùy theo loại máy, có chức năng bảo vệ các phần tử bên trong như nắp thùng và thùng Nắp thùng dùng để đậy kín trên thùng, đảm bảo an toàn và chống bụi bẩn cho thiết bị Nguyên lý hoạt động của vỏ máy là bảo vệ linh kiện bên trong khỏi tác động của môi trường bên ngoài, giúp duy trì hiệu suất ổn định của máy biến áp.
Một máy biến áp giữ cho tổng công suất không đổi khi điện áp tăng hoặc giảm Khi điện áp tăng lên, dòng điện giảm xuống:
Máy biến áp hoạt động dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ để thay đổi điện áp và dòng điện Khi một tín hiệu xoay chiều được cung cấp vào cuộn sơ cấp, dòng điện này tạo ra biến đổi trong từ trường, dẫn đến sự truyền từ qua lõi từ và tạo ra điện áp trên cuộn thứ cấp Quá trình này cho phép máy biến áp chuyển đổi tín hiệu AC từ thành phần sơ cấp sang thành phần thứ cấp một cách hiệu quả, đảm bảo điện áp đầu ra phù hợp với yêu cầu sử dụng.
Hình 1 1: Sơ đồ nguyên lí
Hình minh họa cho thấy một máy biến áp vận hành đơn giản, trong đó dòng điện Ip đi kèm với dây áp Vp Dòng điện chạy qua các cuộn dây Np tạo ra từ thông, góp phần vào quá trình truyền tải điện năng hiệu quả Máy biến áp hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, giúp biến đổi điện áp từ cao xuống thấp hoặc ngược lại, phục vụ các hệ thống điện lưới và thiết bị điện tử.
Trong mạch thứ hai, từ thông truyền qua các vòng dây nhờ lõi sắt, tạo ra dòng điện Is và hiệu điện thế Vs Công suất điện của hệ thống giữ nguyên, bằng tích của hiệu điện thế và dòng điện (V × I), phản ánh nguyên lý truyền năng lượng qua cảm ứng điện từ trong các mạch kín.
Máy biến áp không cho phép dòng điện DC chạy qua nhằm đảm bảo cách ly DC hiệu quả Điều này xảy ra vì dòng điện DC không tạo ra sự thay đổi dòng chảy, do đó không sinh ra từ trường biến đổi để tạo ra điện áp trên thành phần thứ cấp của máy biến áp Chính vì lý do này, máy biến áp chỉ phù hợp với dòng AC, giúp ổn định và truyền tải điện năng một cách an toàn và hiệu quả.
Máy biến áp hoạt động dựa trên nguyên lý truyền từ thông qua các cuộn dây, với dòng điện Ip đi kèm điện áp Vp để tạo ra từ thông trong lõi sắt Từ thông này truyền qua các vòng dây Ns trên mạch thứ hai, tạo ra dòng điện Is và hiệu điện thế Vs, giúp chuyển đổi điện áp một cách hiệu quả Công suất điện (V × I) của hai mạch vẫn được duy trì ở mức tối đa, đảm bảo hoạt động ổn định của máy biến áp.
Thiết kế máy biến áp
Giới thiệu mục tiêu thiết kế
2.2 Tính toán các tham số cơ bản của máy biến áp
2.5 Tính toán hệ thống mạch từ
2.6 Tính toán nhiệt máy biến áp
2.7 Nhận xét, kết luận chương 2
Chương 3: Kết luận, kiến nghị và hướng phát triển của đề tài
3.3 Hướng phát triển của đề tài
3 Các tiêu chuẩn phục vụ tính toán, thiết kế máy biến áp
- TCVN: 1011-2015; TCVN: 3079-2015; TCVN: 2608-2015; TCVN: 6036-1:2015, TCVN: 6036-2:2006,…
- 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
6 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
7 Về thời gian thực hiện đồ án
Ngày giao đề tài……… Ngày hoàn thành:………
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP
1.1 Giới thiệu chung về MBA
Máy biến áp, còn gọi là biến thế, là thiết bị điện quan trọng trong truyền tải và phân phối năng lượng điện xoay chiều Thiết bị này hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ để chuyển đổi năng lượng hoặc tín hiệu điện giữa các mạch điện, giúp tối ưu hóa hiệu suất hệ thống Một máy biến áp gồm có một cuộn dây sơ cấp và một hoặc nhiều cuộn dây thứ cấp liên kết qua trường điện từ, đảm bảo truyền năng lượng hiệu quả và ổn định.
Hệ thống đầu vào MBA:
Máy biến áp tăng áp và máy biến áp giảm áp: Thường được sử dụng để tăng và giảm điện áp trong lưới truyền tải và phân phối điện
Máy biến áp 3 pha thường được sử dụng nhiều hơn do tính kinh tế vượt trội so với máy biến áp 1 pha Tuy nhiên, khi xét về kích thước và khả năng vận chuyển, việc sử dụng ba máy biến áp đơn pha riêng lẻ lại phù hợp hơn, vì chúng dễ dàng di chuyển và lắp đặt so với một máy biến áp 3 pha lớn.
Máy biến áp lực, máy biến áp phân phối, máy biến áp đo lường:
Máy biến áp lực thường được sử dụng trong lưới điện để tăng hoặc giảm điện áp, giúp duy trì dòng điện ổn định và an toàn Nó hoạt động chủ yếu khi tải cao hoặc trong thời gian cao điểm, đảm bảo cung cấp điện liên tục cho các khu vực có nhu cầu lớn Hiệu suất của máy biến áp đạt cực đại khi hoạt động dưới tải đầy, tối ưu hóa hiệu quả truyền tải điện năng trong hệ thống điện quốc gia.
Máy biến áp phân phối có chức năng giảm điện áp để phân phối cho người dùng hoặc mục đích thương mại, đảm bảo hiệu quả tối đa khi hoạt động với công suất 50% tải Loại máy này điều chỉnh điện áp tốt, có thể hoạt động liên tục suốt ngày đêm mà vẫn duy trì hiệu quả cao.
Máy biến áp 2 cuộn dây và máy biến áp tự ngẫu thường được sử dụng với tỷ số cuộn cao áp và hạ áp lớn hơn 2 Tuy nhiên, về sau, chúng trở nên hiệu quả về mặt chi phí hơn khi áp dụng với các máy biến áp có tỷ số cuộn cao áp và hạ áp nhỏ hơn 2, nâng cao hiệu quả hoạt động và tối ưu hóa chi phí vận hành.
Máy biến áp ngoài trời và máy biến áp trong nhà: Là loại máy thiết kế để lắp đặt ngoài trời hay lắp trong nhà
Máy biến áp làm mát bằng dầu sử dụng dầu máy biến áp làm môi trường làm mát chính, giúp tản nhiệt hiệu quả và đảm bảo hoạt động ổn định Trong khi đó, máy biến áp khô được làm mát bằng không khí, phù hợp với các hệ thống yêu cầu môi trường sạch sẽ và không có nguy cơ rò rỉ dầu, mang lại độ an toàn cao hơn.
Máy biến áp loại Core type (mạch từ bên ngoài cuộn dây): Shell type (cuộn dây năm bên ngoài mạch từ) và Berry type
Máy biến áp kiểu lõi khung có cấu tạo gồm hai trụ và hai thanh ngang tạo thành khung chắc chắn Lõi từ hình vuông chứa một mạch từ chung giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền tải điện năng Các cuộn dây hình trụ, gồm cuộn HV và LV, được đặt trên hai trụ nhằm đảm bảo tính ổn định và hiệu quả hoạt động của máy biến áp.
Máy biến áp shell type: Nó có một trụ ở giữa và hai trụ bên ngoài
Cả cuộn HV, LV được đặt trên mổ trụ ở giữa Máy biến áp này có mạch từ kép
Máy biến áp Berry type: Mạch từ trông như hình bánh xe Phần vỏ kim loại được cố định chặt chẽ và đổ đầy dầu bên trong
Máy biến áp có cấu tạo chung gồm 3 bộ phận chính là lõi thép, cuộn dây và vỏ máy
Lõi thép của máy biến áp gồm trụ và gông, trong đó trụ là phần để đặt dây quấn, còn gông là phần nối liền các trụ tạo thành mạch từ kín Lõi thép được chế tạo từ nhiều lá sắt mỏng ghép cách điện với nhau, thường sử dụng vật liệu dẫn từ tốt để tối ưu hóa hiệu suất Chức năng chính của lõi thép là dẫn từ thông đồng thời làm khung để đặt dây cuốn, giúp tăng khả năng truyền từ Đối với các loại biến áp dùng trong lĩnh vực truyền thông, tần số cao, lõi thép thường được cấu tạo từ các lá thép permalloy ghép lại nhằm giảm thiểu thất thoát và nâng cao hiệu quả hoạt động.
Cuộn dây, thường được chế tạo bằng đồng hoặc nhôm, được bọc cách điện để nhận và truyền năng lượng hiệu quả Cuộn dây đồng có khả năng dẫn điện tốt hơn, hạn chế ôxi hóa và kéo dài tuổi thọ của biến áp Trong đó, phần nhận năng lượng vào gọi là cuộn dây sơ cấp, còn phần truyền năng lượng ra tới tải tiêu thụ gọi là cuộn dây thứ cấp, đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống điện.
Số vòng dây ở hai cuộn phải khác nhau, tuỳ thuộc nhiệm vụ của máy mà có thể N1 > N2 hoặc ngược lại
Vỏ máy biến áp thường được làm bằng các chất liệu khác nhau như thép, gang hoặc tôn mỏng nhằm bảo vệ các bộ phận bên trong, bao gồm nắp thùng và thùng Chức năng chính của vỏ máy là bảo vệ các phần tử bên trong khỏi tác động từ môi trường bên ngoài Nguyên lý hoạt động của máy biến áp dựa trên sự biến đổi điện áp qua các cuộn dây và hoạt động hiệu quả nhờ vào lớp vỏ chắc chắn, chống nhiễu and đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành.
Một máy biến áp giữ cho tổng công suất không đổi khi điện áp tăng hoặc giảm Khi điện áp tăng lên, dòng điện giảm xuống:
Máy biến áp hoạt động dựa trên cảm ứng điện từ để thay đổi điện áp và dòng điện, chuyển đổi tín hiệu xoay chiều từ thành phần sơ cấp sang thành phần thứ cấp Khi dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp, nó tạo ra từ trường biến đổi, gây ra sự biến đổi trong từ thông liên kết qua cuộn thứ cấp Quá trình này tạo ra điện áp trên cuộn thứ cấp, đảm bảo hiệu quả ghép nối giữa đầu vào và đầu ra của máy biến áp Điện áp áp dụng vào sơ cấp cũng sẽ xuất hiện trong thành phần thứ cấp của máy biến áp, nhờ nguyên lý cảm ứng điện từ.
Hình 1 1: Sơ đồ nguyên lí
Hình minh họa cho thấy một máy biến áp hoạt động đơn giản, trong đó dòng điện Ip đi qua cùng với điện áp Vp Dòng điện này chạy qua các cuộn dây Np, tạo ra từ thông trong máy biến áp Quá trình này giúp truyền năng lượng điện hiệu quả giữa các mạch, đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống truyền tải điện năng.
Trong một hệ thống truyền điện, lõi sắt đóng vai trò trung gian giúp truyền từ thông qua các vòng dây của mạch này sang mạch kia Từ thông này tạo ra dòng điện Is và hiệu điện thế Vs trong mạch thứ hai, đảm bảo quá trình truyền năng lượng hiệu quả Công suất điện, tính bằng tích của hiệu điện thế và dòng điện (V × I), vẫn giữ nguyên theo nguyên lý chuyển đổi năng lượng trong các mạch điện cảm ứng.
Máy biến áp không cho phép dòng điện một chiều (DC) đi qua, điều này gọi là cách ly DC Nguyên nhân là do dòng điện DC không tạo ra sự thay đổi trong dòng chảy, vì vậy không thể sinh ra từ trường biến đổi để tạo ra điện áp ở phía thứ cấp của máy biến áp.
Máy biến áp hoạt động dựa trên nguyên lý dòng điện Ip đi kèm điện áp Vp, tạo ra từ thông trong lõi sắt nhờ dòng điện qua cuộn dây Np Từ thông này truyền sang cuộn dây thứ hai của mạch, sinh ra dòng điện Is và hiệu điện thế Vs, giữ nguyên công suất điện năng (V × I) giữa hai mạch.
Tính toán dây quấn
- Sức điện động của một vòng dây:
- Số vòng dây một pha của dây quấn hạ áp:
- Mật độ dòng điện áp trung bình:
Tiết diện vòng dây sơ bộ:
6,987 10 6 = 1,3 10 −4 (𝑚 2 ) Theo bảng 38[1], chọn dây quấn hình xoắn mạch đơn, dây đồng chữ nhật
Giữa các vòng dây có rãnh dầu ngang với chiều cao ℎ 𝑟1 = 4𝑚𝑚 = 0,004𝑚
Có đệm cách điện giữa các vòng dây
Chiều cao hướng trục của mỗi vòng dây
Dây dẫn xoắn đơn nên chiều cao có thể tính:
3,6 + 4− 0,004 = 23 10 −3 (𝑚) = 23(𝑚𝑚) Lựa chọn kích thước dây quấn:
Tra bảng 21[1]: chọn dây ПБ có kích thước a x b = 2mm x 3,02mm; 𝑇 𝑑1 6,04mm 2
Chiều dày cách điện 2 phía 2𝜎 = 0,62 𝑚𝑚
- Kích thước dây dẫn chọn được viết như sau:
Hoán vị dây quấn hạ áp được thiết kế để dễ dàng tản nhiệt trong dây quấn và giảm tổn hao phụ Dây quấn được phân bổ đều tại 6 vị trí theo chiều cao của dây nhằm tối ưu hóa hiệu suất làm việc Tiết diện thực của mỗi vòng dây là 6,04 mm², đảm bảo khả năng chịu tải tốt và độ bền cao cho hệ thống điện.
𝑇 1 = 𝑛 𝑣1 𝑇 𝑑1 = 6.6,04 = 36,24(mm 2 ) Mật độ dòng điện thực trong dây quấn hạ áp:
36,24 = 25,09( 𝐴 m 2 ) Chiều cao thực của mỗi vòng dây:
ℎ 𝑣1 = 𝑏 ′ = 24,4(𝑚𝑚) Với b’ là kích thước hướng trục của mỗi sợi dây (kể cả cách điện)
Chiều cao thực của dây quấn hạ áp:
𝑙 1 = 𝑏 ′ ( 𝑊 1 + 4) + 𝑘 ℎ 𝑟1 (𝑊 1 + 3) Với k là hệ số kể đến sự co ngót của tấm đệm sau khi ép chặt cuộn dây, lấy k=0,95
Chiều dày của dây quấn hạ áp:
Với a’ là kích thước hướng kính của mỗi sợi dây (kể cả cách điện)
𝑎 1 = 6.3,4 = 20,4(𝑚𝑚) = 0,0204𝑚 Đường kính trong của dây quấn hạ áp:
𝐷′ 1 = 𝑑 + 2 𝑎 01 = 0,28 + 2.0,015 = 0,31(𝑚) Đường kính ngoài của dây quấn hạ áp:
𝐷′′ 1 = 𝐷′ 1 + 2 𝑎 1 = 0,31 + 2.0,0204 = 0,3508(𝑚) Khối lượng dây dẫn hạ áp bằng đồng:
2 3,6.36,24 10 −3 = 3,62(𝑘𝑔) Khối lượng dây quấn hạ áp kể cả cách điện
Theo bảng 24[1]: cần phải tăng trọng lượng dây do cách điện lên 1,5% nên khối lượng của dây dẫn là:
Bề mặt làm lạnh của dây quấn hạ áp:
Với dây quấn xoắn đơn có rãnh dầu ở tất cả các bánh dây:
𝑀 1 = 2 𝑡 𝑘 𝜋 (𝐷 ′ 1 + 𝑎 1 ) (𝑎 1 + 𝑏 ′ ) 𝑊 1 o Với k=0,75 là hệ số kể đến bề mặt dây quấn bị các chi tiết cách điện che khuất
Theo bảng 38[1]: chọn dây dẫn hình ống nhiều lớp, dây dẫn tròn bằng đồn
Số vòng dây của cuộn cao áp ứng với điện áp định mức
0,4= 315(𝑣ò𝑛𝑔) Chọn sơ đồ điều chỉnh điện áp
Chọn sơ đồ điều chỉnh điện áp có dạng đoạn dây điều chỉnh ở cuối cuộn dây như hình:
Hình 2 5: Sơ đồ điều chỉnh điện áp
Số vòng dây ở 1 cấp điều chỉnh Đối với máy biến áp dầu điều chỉnh không kích thích, có 4 cấp điều chỉnh là +5%𝑈 𝑑𝑚 , +2,5%𝑈 𝑑𝑚 , -2,5%𝑈 𝑑𝑚 , -5%𝑈 𝑑𝑚
Số vòng dây ở 1 cấp điều chỉnh tính như sau:
Số vòng dây tương ứng trên các đầu phân nhánh:
Mật độ dòng điện sơ bộ:
Theo bảng 20[1], ta chọn dây dẫn như sau: ПБ: 1𝑥 3
3,4𝑚𝑚 Tiết diện mỗi vòng dây: 𝑇 2 = 1,65(𝑚𝑚 2 )
Mật độ dòng điện thực:
Số vòng dây một lớp:
Số lớp dây quấn cao áp:
61 = 5,2(𝑙ớ𝑝) Lấy 𝑛 12 = 5 𝑙ớ𝑝 Điện áp làm việc giữa 2 lớp kề nhau:
𝑈 12 = 2 𝑊 12 𝑈 𝑣 = 2.61.64 = 7808(𝑉) Theo bảng 26[1]: cần 4 lớp giấy cáp với chiều dày 𝛿 12 = 5𝑥 0,12𝑚𝑚 0,6𝑚𝑚 để cách điện thường giữa các lớp Đầu thừa cách điện lớp ở 1 đầu dây quấn là 88mm
Phân phối số vòng dây vào các lớp
Lớp thứ nhất đến lớp thứ 4: 4 x 61= 244(vòng)
Hình 2 6: Sơ đồ dây Để tăng điều kiện làm nguội chia dây quấn cao áp thành 2 tổ lớp:
Tổ lớp trong gồm n = 3 lớp
Tổ lớp ngoài gồm m = 5 lớp
Giữa 2 tổ lớp có rãnh dầu dọc trục 𝑎′ 22 = 6𝑚𝑚
Chiều dày dây quấn cao áp:
= 36,08(𝑚) Đường kính trong của dây quấn cao áp:
𝐷 ′ 2 = 𝐷′ ′ 1 + 2 𝑎 12 = 0,3508 + 2.0,027 = 0,4048(𝑚) Đường kính ngoài của dây quấn cao áp:
Khoảng cách giữa hai trụ cạnh nhau:
Bề mặt làm lạnh của dây quấn:
Dây chia 2 tổ lớp có rãnh dầu làm lạnh, tổ trong quấn lên ống cách điện hình trụ có que nêm:
Khối lượng dây dẫn cao áp bằng đồng:
2 315.7,07 10 −3 = 82,48(𝑘𝑔) Khối lượng dây dẫn cao áp (kể cả cách điện):
Tính toán ngắn mạch
𝑘 𝑓1 = 1 + 0,095 10 8 𝛽 1 2 𝑎 4 𝑛 2 Trong đó: n là số thanh dẫn quấn thằng góc với từ trường tản, n=8
d là kích thước của dây dẫn theo hướng thẳng góc và song song với từ trường tản
m là số thanh dẫn quấn song song với từ thông tản, vì dây dẫn xoắn đơn nên m = 𝑊 1 = 3,6
𝑘 𝑟 là hệ số Ragovski, lấy 𝑘 𝑟 = 0,95
Trong đó: n là số thanh dẫn thẳng góc với từ trường tản, n=𝑛 12 = 2
𝑙 2 𝑘 𝑟 m là số thành dẫn quấn song song với từ thông tản, m = 𝑊 12 = 61
𝑘 𝑟 là hệ số Ragovski, lấy 𝑘 𝑟 = 0,05
Tổn hao trong dây dẫn ra:
Chiều dài dây dẫn ra:
Khi nối tam giác: 𝑙 𝑟 = 14 𝑙 Đối với dây hạ áp: 𝑙 𝑟1 = 7,5 𝑙 1 = 7,5.0,21 = 1,575(𝑚) Đối với dây cao áp: 𝑙 𝑟2 = 7,5 𝑙 2 = 7,5.0,21 = 1,575(𝑚)
Khối lượng đồng dây dẫn ra hạ áp:
𝐺 𝑟1 = 𝑙 𝑟1 𝑇 1 𝛾 Với 𝛾 là điện trở suất của dây dẫn Đối với dây đồng lấy 𝛾 8900( 𝑘𝑔
Khối lượng đồng dây dẫn ra cao áp:
𝐺 𝑟2 = 𝑙 𝑟2 𝑇 2 𝛾 = 3,6.7,07 10 −6 8900 = 0,23(𝑘𝑔) Tổn hao trong dây dẫn ra hạ áp:
𝑃 𝑟1 = 2,4 10 −12 ∆ 1 2 𝐺 𝑟1 = 2,4 10 −12 (25,09 10 6 ) 2 1,16 = 1753(𝑊) Tổn hao trong dây dẫn ra cao áp:
𝑃 𝑟2 = 2,4 10 −12 ∆ 2 2 𝐺 𝑟2 = 2,4 10 −12 (6,3 10 6 ) 2 0,23 = 21,91(𝑊) Tổn hao trong vách thùng:
Có thể xác định 𝑃 𝑡 lần đúng theo công thức: 𝑃 𝑡 = 10 𝑘 𝑆
S là công suất định mức
Tổn hao ngắn mạch toàn phần:
Chiều rộng quy đổi của rãnh dầu:
0,21 = 6,13 Với 𝑑 12 là đường kính trung bình của rãnh dầu
Thành phần điện áp ngắn mạch phản kháng là:
64 2 0,95 10 −1 = 3,5% Điện áp ngắn mạch toàn phần:
2.3.3 Tính toán lực cơ học khi ngắn mạch
Dòng điện ngắn mạch xác lập:
𝐼 đ𝑚 là dòng điện định mức của đầu phân áp (đầu điều chỉnh điện áp của dây quấn)
𝑆 đ𝑚 là công suất định mức máy biến áp (MVA)
𝑆 𝑛 là công suất ngắn mạch của mạng cung cấp, 𝑆 𝑛 = 2500𝑀𝑉𝐴 (bảng 40b [1])
𝑢 𝑛 là điện áp ngắn mạch của máy biến áp
𝐼 𝑛 = 100.72,1688 5,12 [1 + 100.0,63/(5,12.2500) = 1343(𝐴) Trị số max (xung kích) dòng ngắn mạch:
W là số vòng của một dây quấn (đối với dây CA lấy 𝑊 2𝑑𝑚 )
𝐹 𝑟 = 0,628 ( 3798.315) 2 61,4656.0,95 10 −6 = 52486(𝑁) Ứng suất nén do lực hướng kính gây nên:
Lực 𝐹 𝑛𝑟 có tác dụng nén lên cuộn dây hạ áp, được tính như sau:
2𝜋 Ứng suất nén trong dây quấn hạ áp:
2𝜋 249 10 −6 3,6 = 9,32(𝑀𝑃𝑎) Ứng suất nén hoặc kéo trong dây quấn cao áp có thể tính tương tự hạ áp:
2𝜋 7,07 10 −6 315 = 3,75(𝑀𝑃𝑎) Theo tiêu chuẩn ứng suất nén 𝜎 𝑛𝑟 ≤ 30𝑏 Mpa (đối với dây đồng), nghĩa là thông số của ứng suất nén vừa tính được 𝜎 𝑛𝑟2 thỏa mãn (theo tiêu chuẩn ghi trong [1])
Do dây quấn phân phối đều theo chiều cao, chiều cao 2 cuộn hạ áp và cao áp như nhau nên:
Hình 2 7: Chiều cao cuộn hạ áp Ứng suất nén lên các tấm đệm giữa bánh dây:
Lấy 8 tấm đệm cách điện giữa các vòng dây hạ áp Ứng suất nén lên các tấm đệm giữa bánh dây:
n là số miếng đệm theo chu vi vòng dây quấn, n=8
a,b là kích thước miếng đệm, a=0,04 (m), b=0,04 (m)
8.0,04.0,04 = 0,36 (𝑀𝑃𝑎) Giá trị 𝜎 𝑛 thoả mãn tiêu chuẩn 𝜎 𝑛 ≤ 20𝑀𝑃𝑎 (theo tiêu chuẩn ghi trong [1]).
Tính toán hệ thống mạch từ
Chọn tôn Silic cán nguội đẳng hướng của Nga mã hiệu 3404, chiều dày 0,35mm, có khả năng chịu nhiệt và được phủ sơn cách điện, đảm bảo chống chịu môi trường Tôn có cấu tạo lõi thép kiểu ba pha ba trụ, các lá thép ghép xen kẽ với 4 mối ghép xiên ở 4 góc, giúp nâng cao độ bền và độ ổn định của kết cấu Quá trình ép trụ sử dụng nêm và dây quấn để đảm bảo hình dạng chính xác, trong khi gông được cố định bằng xà ép gông và bu lông đặt phía ngoài, tăng cường khả năng chịu lực Với trụ có đường kính d = 0,28m và công suất định mức S = 1000 kVA, ta chọn số bậc thang trong trụ là 8, đồng thời xác định chiều rộng a và chiều dày b của các tập lá thép dựa trên bảng thông số kỹ thuật, đảm bảo tính ổn định và an toàn cho hệ thống.
Thứ tự tập Trụ (mm)
Bảng 2 5: Thứ tự tập trụ
Hệ số điền đầy đủ của lõi thép là 𝑘 đ = 0,955
Tổng chiều dày các lá thép tiết diện trụ (gông):
Số lá thép trong từng bậc trụ và gông:
𝛿 𝑡 với 𝛿 𝑡 = 0,35 𝑚𝑚 là chiều dày mỗi lá tôn silic
Toàn bộ tiết diện bậc thang của trụ (bảng 42a[1]):
Tiết diện bậc thang của gông (bảng 42a[1]):
Thể tích một góc của mạch từ (bảng 42a[1]):
Tiết diện hữu hiệu (thuần sắt) của trụ:
Tiết diện hữu hiệu (thuần sắt) của gông:
Trong đó: 𝑙′ 0 = 0,05𝑚 là khoảng cách từ dây quấn đến gông trên và gông dưới (bảng 19[1])
Khoảng cách giữa tâm hai trụ:
Khối lượng sắt một góc mạch từ:
Khối lượng sắt gông gồm 2 phần:
Phần thẳng nằm giữa hai trụ biên:
𝐺′ 𝑔 = 2(𝑡 − 1) 𝐶 𝑇 𝑔 𝛾 = 2 (3 − 1) 0,507.0,0564.7650 = 875(𝑘𝑔) Trong đó t là số trụ mang dây quấn, t=3
2 = 200,72(𝑘𝑔) Trọng lượng sắt gông toàn phần:
Tiết diện gông là loại bậc thang nhiều bậc, được xác định dựa trên tổng của hai phần chính Một trong những yếu tố quan trọng trong thiết kế này là khối lượng sắt của trụ, tính dựa trên chiều cao của cửa sổ mạch Điều này giúp đảm bảo vững chắc và an toàn cho cấu trúc, đồng thời tối ưu hóa khả năng chịu lực của công trình Việc tính toán phù hợp giúp nâng cao độ bền và khả năng chịu tải của các phần cấu kiện liên quan.
𝐺′ 𝑡 = 𝑡 𝑇 𝑡 𝑙 𝑡 𝛾 = 3.0,05.0,31.338,56 = 15,8(𝑘𝑔) Khối lượng sắt phần trụ nối với gông:
= 8,745(𝑘𝑔) Khối lượng sắt trụ toàn phần:
Khối lượng sắt toàn bộ ở trụ và gông:
𝐺 𝐹𝑒 = 𝐺 𝑡 + 𝐺 𝑔 = 24,6 + 1075,72 = 1100,3(𝑘𝑔) Giá trị từ cảm trong trụ và gông:
- Từ cảm ở mối nối nghiêng:
√2 = 4(𝑇) Tiết diện khe không khí ở mối nối nghiêng:
Công suất tổn hao không tải:
Tra bảng 45[1] Ta được suất tổn hao: Ở trụ: 𝑝 𝑡 = 1,295( 𝑊
𝑚 2 ) Tổn hao không tải được xác định theo công thức:
𝑘 𝑝𝑔 = 1 là hệ số gia tăng tổn hao ở gông với số bậc trụ và gông gần bằng nhau
𝑘 𝑝𝑡 = 1,02 là hệ số tổn hao do tháo lắp gông trên Gông ép bằng xà, không có đai với S = 630 kVA
𝑘 𝑝𝑒 = 1,03 là hệ số tổn hao do ép trụ để đai với S = 630 kVA
𝑘 𝑝𝑐 = 1 là hệ số kể đến tổn hao do cắt dập lá tôn thành tấm với tôn có ủ
𝑘 𝑝𝑏 = 1 là hệ số kể đến tổn hao do gấp mép hoặc khử bavia Tôn có ủ lại lá thép sau khi cắt dập tấm và khử bavia
𝑘 𝑝0 = 𝑘 𝑛 𝑘′ 𝑝0 là hệ số tổn hao phụ ở các góc nối
Với 4 mối nối nghiêng: 𝑘 𝑛 = 4 => 𝑘 𝑝0 = 5,4 N=4 là số lượng góc nối mạch từ cần phải tính đến ảnh hưởng tổn hao sắt Như vậy tổn hao không tải của máy biến áp:
Công suất từ hóa không tải:
Tra bảng 50[1] Ta được suất từ hóa: Ở trụ: 𝑞 𝑡 = 1,602( 𝑉𝐴
𝑚 2 ) Công suất từ hóa không tải được xác định theo công thức:
𝑘 𝑖𝑔 = 1 là hệ số làm tăng công suất ở gông với số bậc trụ và gông gần bằng nhau
𝑘 𝑖𝑡 = 1,02 là hệ số kể đến sự tăng công suất từ hóa do tháo lắp gông trên để cho dây quấn vào trụ với S = 1000 kVA
𝑘 𝑖𝑒 = 1,04 là hệ số kể đến ảnh hưởng của việc ép mạch từ để đai với máy công suất 1000kVA
𝑘 𝑖𝑐 = 1,18 là hệ số kể đến ảnh hưởng của việc cắt dập lá thép với tôn mã hiệu 3405 có ủ
𝑘 𝑖𝑏 = 1 là hệ số kể đến ảnh hưởng của việc cắt gọt bavia Có khử bavia với tôn có ủ
𝑘 𝑖0 = 𝑘 𝑛 𝑘′ 𝑖0 là hệ số kể đến tăng công suất từ hóa ở các góc nối trụ và gông
𝑘 𝑖𝑟 = 1,35 là hệ số kể đến ảnh hưởng do chiều rộng lá tôn ở các góc mạch từ (bảng 52b[1])
Như vậy công suất từ hóa không tải:
Thành phần phản kháng của dòng điện không tải:
Thành phần tác dụng của dòng điện không tải:
Dòng điện không tải toàn phần:
Hiệu suất máy biến áp: Ƞ = (1 − 𝑃 0 + 𝑃 𝑛
Tính toán nhiệt MBA
2.5.1 Sơ lược về tính toán nhiệt:
Tính toán nhiệt mô tả trạng thái nhiệt ổn định khi máy biến áp hoạt động liên tục với tải định mức Trong trạng thái này, toàn bộ nhiệt lượng phát sinh từ dây quấn và mạch từ được khuếch tán ra xung quanh, đảm bảo quá trình truyền nhiệt ổn định Đường khuếch tán nhiệt của dòng nhiệt có thể chia thành các đoạn khác nhau, phản ánh quá trình phân tán nhiệt trong máy biến áp.
1) Từ trong lòng dây quấn hay mạch từ ra ngoài mặt tiếp xúc với dầu bằng truyền dẫn.
2) Quá độ từ mặt ngoài dây quấn hay mạch từ vào dầu.
3) Từ dầu ở mặt ngoài dây quấn hay mạch từ truyền tới mặt trong thùng dầu bằng đối lưu.
4) Quá độ truyền từ dầu vào vách thùng dầu.
5) Cuối cùng là từ vách thùng làm ra không khí xung quanh bằng bức xạ và đối lưu.
Mỗi lần truyền nhiệt trong máy biến áp đều làm giảm nhiệt độ, tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ giữa các bộ phận trong máy và môi trường xung quanh Khi dòng nhiệt tăng, mức chênh lệch nhiệt độ cũng tăng theo, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của máy biến áp Nhiệt độ giảm dần qua từng quá trình truyền nhiệt thể hiện rõ sự phân bố nhiệt trong thiết bị, giúp đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn.
Nói chung, tính toán nhiệt sẽ bao gồm các phần sau:
Tính toán nhiệt độ chênh qua từng phần
Chọn kích thước thùng dầu bảo đảm tỏa nhiệt tốt, nghĩa là bảo đảm cho nhiệt độ dây quấn, mạch từ và dầu không vượt quá quy định
Kiểm tra nhiệt độ chênh của dây quấn, mạch từ và dầu đối với không khí
Tính toán nhiệt chênh lệch từng phần:
Nhiệt độ chênh trong lòng dây quấn với mặt ngoài của nó:
- Dây hạ áp (dây chữ nhật):
Mật độ dòng nhiệt trên bề mặt dây quấn:
𝑚 2 ) Nhiệt độ chênh trong lòng và mặt ngoài dây hạ áp:
- m là chiều dài cách điện 1 phía dây HA
𝑚.℃ (trai bảng 54[1]) là suất dẫn nhiệt lớp cách điện dây
Dây cao áp (dây tròn):
Tổn hao trong một đơn vị thể tích dây quấn:
𝑚 3 ) Suất dẫn nhiệt bình quân qui ước của dây quấn:
𝑚.℃ là suất dẫn nhiệt lớp cách điện dây cao áp Suất dẫn nhiệt trung bình:
𝑚.℃ là suát dẫn nhiệt cách điện lớp dây cao áp
Nhiệt độ chênh lớn nhất trong lòng và mặt ngoài dây cao áp:
8.0,49 = 19,03(℃) Nhiệt độ chênh trung bình trong lòng và mặt ngoài dây cao áp:
Nhiệt độ chênh giữa mặt ngoài dây quấn với dầu:
- Dây hạ áp (dây chữ nhật):
𝑘 1 = 1 là hệ số kể đến tốc độ chuyển động của dầu trong dây quấn, trường hợp làm lạnh bằng dầu tự nhiên
𝑘 2 = 1,1 là hệ số tính đến trường hợp do dây quấn hạ áp ở trong nên dầu đối lưu khó khăn làm dây hạ áp nóng lên
Hệ số 𝑘₃ phản ánh sự đối lưu khó khăn của dầu do bề rộng của rãnh dầu ngang gây ra, giúp đánh giá chính xác hiệu suất làm việc của hệ thống làm mát Thông số này phụ thuộc vào tỷ lệ giữa chiều cao rãnh dầu ngang (ℎ𝑟) và bề dày dây quấn (a), trong đó, ℎ𝑟 càng lớn thì hệ số 𝑘₃ cũng tăng lên, góp phần tối ưu hóa khả năng truyền nhiệt của hệ làm mát Việc hiểu rõ mối liên hệ giữa 𝑘₃, ℎ𝑟 và a là quan trọng để thiết kế hệ thống làm mát hiệu quả, giảm thiểu sự đối lưu cản trở và nâng cao tuổi thọ của thiết bị điện.
20,4 = 0,19 Tra bảng 55[1]: 𝑘 3 = 0,85 Nhiệt độ chênh giữa mặt ngoài dây hạ áp và dầu là:
Mật độ dòng nhiệt trên bề mặt dây cao áp:
𝑚 2 ) Nhiệt độ chênh giữa mặt ngoài dây cao áp và dầu là:
𝜃 𝑜𝑑2 = 0,285 𝑞 2 0,6 = 0,285 370,04 0,6 = 9,9(℃) Nhiệt độ chênh trung bình của dây quấn với dầu:
Tính toán nhiệt thùng dầu:
Lựa chọn kết cấu thùng:
Với công suát 630kVa chọn kết cấu thùng phẳng với vách cách sóng:
Hình 2 8: Phân bố cánh sóng
Các kích thước của cánh sóng:
- a là chiều rộng khe không khí giữa các cánh sóng
- b là chiều sâu cánh sóng, b lớn nhất là 300 (mm)
- c là chiều rộng cánh sóng, tối thiểu là 10 (mm) Tỉ lệ a/c thường bằng 2,5
Các khoảng cách cách điện:
Các khoảng cách cách điện từ dây dẫn ra đến vách thùng, đến xà ép gông được xác định như sau:
• S 1 = 32 mm là khoảng cách từ dây dẫn ra cao áp đến chính nó có
U th2 = 55 kV, bọc cách điện 2mm (bảng 31[1])
• S 2 = 32 mm là khoảng cách từ dây dẫn ra cao áp đến vách thùng có U th2 = 55 kV, bọc cách điện 2mm (bảng 31[1])
• S 3 = 30 mm là khoảng cách từ dây dẫn ra có bọc cách điện của dây hạ áp đến dây cao áp với Uth1 = 5 kV, bọc cách điện 2 mm (bảng 32[1])
• S 4 = 20 mm là khoảng cách từ dây dẫn ra của dây quấn hạ áp đến vách thùng với U th1 = 5 kV, bọc cách điện 2 mm (bảng 31[1])
• S 5 = 50 mm là khoảng cách giữa dây quấn cao áp và vách thùng (bảng 32[1])
• d 1 = 20 mm là đường kính dây dẫn ra có bọc cách điện của dây quấn cao áp với U = 22 kV
• d 2 = 20 mm là đường kính dây dẫn ra có bọc cách điện của dây quấn hạ áp
Hình 2 9:Khoảng cách điện của dây dẫn ra cao áp
Hình 2 10: Khoảng cách điện với dây dẫn ra hạ áp
Chiều rộng tối thiểu của thùng:
Chiều dài tối thiểu của thùng dầu:
- Khoảng cách từ đáy thùng đến hết chiều cao lõi thép sắt: 𝐻 1 𝑙 𝑡 + 2ℎ 𝑔 + 𝑛
- 𝑙 𝑡 là chiều cao của trụ
- ℎ 𝑔 là chiều cao của gông
- 𝑛 là chiều dày tấm lót gông dưới, n có thể lấy từ 30-50mm
- Khoảng cách tối thiểu từ gông trên đến nắp thùng:
Theo bảng 58[1]: 𝐻 2 = 300 𝑚𝑚 = 0,3𝑚 với bộ điều chỉnh điện áp nằm giữa gông trên và nắp thùng
Lựa chọn các kích thước cánh sóng:
- a = 50mm là chiều rộng khe không khí giữa các cánh sóng
- b = 300mm là chiều sâu cánh sóng
- c = 20mm là chiều rộng cánh sóng
- 𝐻 𝑠 = 𝐻 − 0,1 = 1,03 − 0,1 = 0,93𝑚 là chiều cao cánh sóng
- Cánh sóng được chế tạo từ tôn tấm dày 𝛿 = 1𝑚𝑚
Bề mặt bức xạ vách thùng cánh sóng:
Chiều dài một bước sóng: t = a + c + 2𝛿 =0,05 + 0,02 + 2.1.10 −3 = 0,072 (m)
Chiều dài khai triển một bước cánh sóng:
Bề mặt đối lưu vách thùng cánh sóng:
Hệ số tính đến sự đối lưu khó khăn của không khí giữa các cánh sóng:
Bề mặt đối lưu của vách thùng:
Bề mặt phân vách trên của thùng không có cánh sóng:
- 𝑏 𝑛 là chiều rộng của nắp thùng
𝑏 𝑛 = 𝐵 + 2𝑏 𝑣 = 0,6 + 2.0,08 = 0,76(𝑚) (𝑏 𝑣 = 0,08 là chiều rộng của vành nắp thùng)
- 𝑙 𝑛 là chiều dài của nắp thùng
Bề mặt bức xạ toàn phần thùng cánh sóng:
Bề mặt đối lưu toàn phần thùng cánh sóng:
Tính toán cuối cùng về nhiệt độ chênh của dây quấn và dầu máy biến áp: Nhiệt độ chênh của thùng và không khí:
Với k = 1,05 khi tính toán máy biến áp đơn chiếc
Nhiệt độ chênh của dầu sát vách thùng so với thùng:
𝑘 1 = 1 là hệ số làm lạnh bằng dầu tự nhiên
∑ 𝑀 đ𝑙 là tổng bề mặt đối lưu toàn phần của thùng
Nhiệt độ chênh của dầu so với không khí:
Nhiệt độ chênh của lớp dầu trên so với không khí:
Nhiệt độ chênh của dây quấn với không khí:
Tính toán đối với dây cao áp vì 𝜃 𝑜.𝑑𝑡𝑏1 > 𝜃 𝑜.𝑑𝑡𝑏2
Nhiệt độ chênh giữa dây quấn cao áp với không khí là:
