hướng dẫn làm bài tập dài máy điện

Để có thể đạt được các yêu cầu đó nó liên quan đến việc lựa chọn đúng đắn vật liệu tác dụng, các tham số, hệ số được cho trong các bảng tra cho trong phần phụ lục của cuốn sách “ Thiết k

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

KHOA ĐIỆN

Bộ môn: Thiết bị điện

HƯỚNG DẪN LÀM BÀI TẬP DÀI MÁY ĐIỆN

Tính toán dây quấn và lõi thép máy biến áp điện lực

Thái nguyên 2012

HƯỚNG DẪN LÀM BÀI TẬP DÀI MÁY ĐIỆN

quấn, lõi sắt … cho trong các bảng phần phụ lục của tài liệu đó

Những số liệu cho trước:

1 Dung lượng của máy biến áp: S (KVA);

2 Cấp điện áp: U1/U2 (KV); phạm vi điều chỉnh điện áp ± 5%;

3 Tần số: f = 50 (hz);

4 Sơ đồ và tổ nối dây ;

5 Điện áp ngắn mạch: Un%;

6 Tổn hao ngắn mạch: Pn (W);

7 Dòng điện không tải: I0%;

8 Tổn hao không tải: P0 (W);

9 Kiểu máy biến áp 3 pha – 3 trụ - ngâm dầu; chế độ làm việc dài hạn;

Yêu cầu: máy biến áp thiết kế ra phải thỏa mãn các tham số kỹ thuật yêu cầu có kích thước hợp lý đảm bảo độ bền về cơ, điện, nhiệt và giá thành rẻ Để có thể đạt được các yêu cầu đó nó liên quan đến việc lựa chọn đúng đắn vật liệu tác dụng, các tham số, hệ số

được cho trong các bảng tra cho trong phần phụ lục của cuốn sách “ Thiết kế máy biến áp điện lực”

Nhiệm vụ tính toán:

1 Xác định các đại lượng điện cơ bản:

a Tính dòng điện pha và điện áp pha của các dây quấn;

b Xác định điện áp thử của các dây quấn;

c Xác định các thành phần của điện áp ngắn mạch;

2 Tính toán các kích thước chủ yếu:

a Chọn sơ đồ và kết cấu lõi thép;

b Chọn loại, mã hiệu tôn silic, cách điện của chúng Chọn mật độ từ cảm của trụ sắt

c Chọn các kết cấu và xác định các khoảng cách cách điện chính của cuộn dây

d Tính toán sơ bộ máy biến áp và xác định hệ số hình dáng  của máy biến áp ứng với giá thành cực tiểu

e Lựa chọn đường kính d tiêu chuẩn của trụ thép và hệ số hình dáng tương ứng  dựa trên những yêu cầu về sai lệch cho phép của tổn hao không tải, dòng điện không tải và giá thành của máy biến áp Ngoài ra phương án lựa chọn còn phải thỏa mãn các điều kiện về mật độ dòng điện cho phép trong dây quấn, phạm vi của hệ số hình dáng 

3 Tính toán dây quấn hạ áp (HA) và cao áp (CA):

a Chọn kiểu quấn dây HA và CA; dây quấn kiểu đồng tâm, bố trí dây quấn

HA phía trong, dây quấn CA phía ngoài

b Tính cuộn dây HA;

c Tính cuộn dây CA;

4 Tính toán lõi thép máy biến áp

Xác định các kích thước cụ thể của lõi sắt

5 Vẽ bản vẽ và điền các kích thước chủ yếu của máy biến áp tính toán

Phần 1:

TÍNH TOÁN CÁC KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU CỦA MÁY BIẾN ÁP

I Tính các đại lượng điện cơ bản

1 Công suất một pha của máy biến áp: KVA[ ]

10

10

U f  [V]; Khi dây quấn nối : Uf = U [V]

Với U là điện áp dây tương ứng đã cho với CA và HA Tính Uf1 và Uf2

Là yếu tố quan trọng để xác định khoảng cách cách điện giữa các dây quấn, các phần dẫn

điện khác nhau với các bộ phận nối đất của máy biến áp Trị số này được tra trong bảng 2

Nếu cấp điện áp của dây quấn hạ áp là dưới 1000 (V) thì điện áp thử lấy bằng 5 kV

II Thiết kế sơ bộ lõi sắt, chọn loại dây quấn và tính toán các kích thước chủ yếu của máy biến áp

1 Lõi sắt:

Lõi sắt là phần mạch từ của máy biến áp, việc thiết kế nó cần đảm bảo được tổn hao sắt tối thiểu, dòng điện từ hóa nhỏ, tiêu hao tôn silic ít, hệ số lợi dụng cao Kết cấu lõi sắt cần đảm bảo chịu được lực cơ lớn phát sinh khi có dòng ngắn mạch chảy trong dây quấn

Lõi sắt máy biến áp có

nhiều dạng, trong tài liệu này chỉ

xét với lõi sắt kiểu trụ Lõi thép

này được ghép từ các lá thép kỹ

thuật điện (tôn silic) loại cán nguội

và hình thành nên trụ và gông

Phần trụ thép để quấn dây nên

thường thiết kế có tiết diện ngang

dạng bậc thang đối xứng, nội tiếp

trong đường tròn Đường kính d

của đường tròn gọi là đường kính trụ sắt Phần gông của lõi thép thường có tiết diện lớn hơn so với tiết diện trụ và được thiết kế với số bậc thang ít hơn số bậc thang của trụ từ 1

đến 2 bậc Số bậc thang của trụ chọn theo bảng 4 Hệ số tăng tiết diện của gông so với tiết

diện của trụ là kg (

t

g g

T

T

k  )

Bề rộng, bề dày của các tệp lá thép trong trụ thép tương ứng với các đường kính trụ tiêu

chuẩn cũng được tiêu chuẩn hóa và được cho trong bảng 41

Việc sử dụng tôn silic cán nguội có suất tổn hao thấp hơn và từ cảm cho phép lớn hơn

so với tôn silic cán nóng Song do tính dẫn từ định hướng (chỉ dẫn từ tốt theo hướng cán) nên việc ghép nối giữa trụ và gông không nên sử dụng mối ghép thẳng (vuông góc), mà

sử dụng mối nối nghiêng, tốt nhất là ở tất cả các mối ghép nhằm giảm thiểu đáng kể tổn hao sắt Với dải công suất nhỏ thường chọn 4 mối ghép nghiêng ở 4 góc và 2 mối nối

Ép trụ thường sử dụng hiện nay là đai bằng băng vải thủy tinh, dọc theo chiều cao trụ

cứ khoảng 12cm – 25 cm thì bố trí một đai Với đường kính trụ thép nhỏ thì có thể sử dụng nêm gỗ suốt giữa ống bakelit (bao quang trụ) với trụ thép

Ép gông thường sử dụng xà ép với bu lông siết ở phía ngoài gông (không xuyên qua gông) Với máy biến áp công suất lớn hơn 1000 kVA có thể sử dụng đai bán nguyệt bằng thép, được cách điện cẩn thận và không hình thành nên vòng ngắn mạch

Bảng 6 giới thiệu phương pháp ép trụ và gông, hệ số tăng gông kg

Chú ý: ở các máy biến áp có dung lượng lớn, đường kính trụ d >= 36cm để đảm bảo làm mát cho lõi thép người ta sử dụng rãnh dầu ngang và rãnh dầu dọc trong kết cấu lõi thép

Tiết diện hình bậc thang (không kể rãnh dầu nếu có) của trụ thép (Tb) so với diện tích hình tròn có đường kính bằng đường kính trụ d được biểu diễn thông qua hệ số chêm kín

kc, được tính 2

.

4

Trong tính toán sơ bộ kc được chọn theo bảng 4

2 Chọn tôn silic, cách điện của chúng và từ cảm trong trụ

- Chọn tôn silic cán nguội, mã hiệu , bề dày lá tôn theo bảng 8, bảng 45, bảng 50

- Cách điện mặt ngoài lá tôn nên chọn là sơn cách điện, phủ một lớp hoặc 2 lớp (lớp sơn thường dày từ 0,01mm – 0,03 mm) Cách điện không tốt giữa các lá tôn sẽ làm tăng tổn thất do dòng xoáy khi vận hành Hệ số tính đến sự chiếm chỗ trong không gian của lớp sơn và khe hở do ép không chặt các lá thép gọi là hệ số điền đầy kd, được tính

- Chọn từ cảm trụ: BT nên chọn trong khoảng từ 1,54 – 1,65 (T) Chọn từ cảm nhỏ thì cho phép giảm được tổn hao và dòng không tải nhưng lại làm tăng trọng lượng thép và dây quấn Ngược lại chọn từ cảm trụ lớn sẽ tiết kiệm được vật liệu nhưng lại làm tăng tổn hao và dòng điện không tải Chọn từ cảm thích hợp phải được so sánh về nhiều mặt hơn

nữa là cần tối ưu về mặt kinh tế Tham khảo bảng 11 để lựa chọn

3 Chọn kim loại làm dây quấn

Việc chọn kim loại bằng đồng (Cu) để làm dây quấn vẫn là lựa chọn phổ biến do có những ưu điểm là độ bền cơ học cao, dẫn điện tốt, dễ gia công và hàn gắn Trong những năm gần đây việc sử dụng dây quấn bằng nhôm (Al) cũng được lựa chọn

4 Tính toán các kích thước chủ yếu của máy biến áp

Các kích thước chủ yếu của máy biến áp bao gồm:

- Đường kính trụ sắt d

- Chiều cao dây quấn l

- Đường kính trung bình giữa hai dây quấn d12

Trong thiết kế máy biến áp thường dùng hệ số hình dáng  :

tính toán sau này) Có thể tham khảo trị số  trong bảng 17

Việc chọn  nhỏ - máy biến áp gầy, chọn  lớn – máy biến áp béo Chọn  thích hơp không chỉ ảnh hưởng đến kích thước mà còn ảnh hưởng đến vật liệu tác dụng, giá thành

và các thông số kỹ thuật của máy: I0, P0, mật độ dòng điện trong dây quấn  …

Chọn các khoảng cách cách điện chính: dựa vào điện áp thử và dải công suất của máy biến áp, tra bảng 18, bảng 19 ta có:

Chú ý: Tài liệu này đã đổi ký hiệu phía cao áp sang chỉ số 1, phía hạ áp sang chỉ số 2

ngược với ký hiệu trong tài liệu Thiết kế máy biến áp điện lực – Phan Tử Thụ

Phía cao áp:

- l01 (m) là khoảng cách từ dây quấn cao áp đến gông

- a12 (m) là khoảng cách giữa dây quấn CA và HA

- 12 (m) là bề dày ống cách điện giữa CA và HA

- ld1 (m) là đầu thừa của cách điện dây quấn

- a11 (m) là khoảng cách giữa các dây quấn pha của CA

- 11 (m) là bề dày ống cách điện giữa các pha CA

Phía hạ áp:

- l02 (m) là khoảng cách từ dây quấn hạ áp đến gông, thường chọn bằng l01

- a02 (m) là khoảng cách từ trụ đến dây quấn HA

Hình 1.5: Các khoảng cách điện chính của máy biến áp

Tính chọn chiều rộng rãnh từ trường tản quy đổi: ar

- Hệ số quy đổi từ trường tản thực về từ trường tản lý tưởng kr (hệ số Rogovski):

kr = 0,95

3

2 1 12

a a a

a r    (m), với 1 2 4 2

10 ' 3







S k a a

(m)

Với k được tra theo bảng 12 (lựa chọn theo dải công suất và dải điện áp)

Lựa chọn các hằng số tính toán:

- hệ số a, tra bảng 13 (tra theo dải công suất, dải điện áp và theo Pn tiêu chuẩn)

- hệ số b, tra bảng 14 (tra theo dải công suất, dải điện áp)

- Hệ số tính đến các tổn hao phụ kf, tra bảng 15 (tra theo dải công suất)

Suất tổn hao thép và suất từ hóa trong trụ và gông:

- Từ cảm trong trụ Bt (T), mật độ từ cảm trong gông Bg:

g

t g

CAHAHA

CA

d12

- Suất từ hóa thép được tra theo bảng 50 (Tra với mã hiệu thép, bề dày lá thép lựa

chọn và tương ứng từ cảm Bt và Bg)

+ trong trụ qt (VA/kg)

+ trong gông qg (VA/kg)

- Suất từ hóa khe hở được tra theo bảng 50 (Tra với mã hiệu thép lựa chọn và

tương ứng từ cảm Bt): qk (VA/m2)

Các hệ số tính toán:

- Theo (2-38) hằng số A: 4

2 2

.

'.

507 , 0

ld t nx

r r

k B U f

k a S

.

.

A U B k k

a S k

C

nr t ld f dq

 khi tần số lưới là 50hz; trong đó nếu dây

quấn bằng đồng thì kdq = 2,46.10-2, dây quấn bằng nhôm kdq = 1,2.10-2

Lập phương trình kinh tế: x5 + B.x4 – C.x – D = 0

- Theo (2-60):

1

2 2

.3

2

B

B A

3

.2

1

1



Trong đó: kdqFe được tra trong bảng 16 theo mã hiệu thép, dải công suất máy biến áp và

vật liệu làm dây quấn; k là hệ số lấy bằng 1,06 khi vật dẫn làm bằng đồng, bằng 1,13 với vật dẫn bằng nhôm

Giải phương trình kinh tế: xác định nghiệm xkt

- Sử dụng phương pháp dò: cho x thay đổi từ 1,01 đến 1,35 (nghiệm ngoài khoảng này không nên sử dụng)

- Sử dụng câu lệnh trong phần mềm Matlab : roots([1 B 0 0 –C –D]), kết quả lấy

nghiệm thực

Đường kính kinh tế của trụ thép (dkt) và hệ số hình dáng tương ứng (kt):

4 kt

Để dễ dàng cho việc lựa chọn phương án có hệ số hình dáng thích hợp ứng với đường kính tiêu chuẩn, trước hết từ dkt ở trên ta căn cứ vào chú thích 3 của bảng 7 để chọn một

vài đường kính tiêu chuẩn lân cận nhất (nên chọn dtc1 < dkt; dtc2 > dkt) rồi lập bảng tính sau:

(*) Nếu công suất máy biến áp từ 1000 kVA trở lên thì trọng lượng của một góc khung từ

G0 được tính theo công thức sau: G0 = 0,486.104.kg.kld.A3.x3 (kg)

(**) K là hằng số phụ thuộc vào điện trở suất của dây quấn : với dây quấn bằng đồng (Cu) K = 2,4.10-12, với dây quấn bằng nhôm (Al) K = 12,75.10-12

Trong bảng trên các thông số được hiểu như sau:

- GT là khối lượng của trụ sắt

- GG là gông từ

- GFe là khối lượng của lõi sắt máy biến áp

- P0 là tổn hao không tải (W)

- Qc là công suất từ hóa của trụ và gông từ

- Qf là công suất từ hóa phụ

- Qk là công suất từ hóa ở khe hở không khí nối giữa các lá thép

- Q là công suất từ hóa của máy biến áp

- I0% là phần trăm của dòng từ hóa so với dòng điện sơ cấp định mức

- Gdq là khối lượng của dây quấn máy biến áp

-  là mật độ dòng điện trong dây quấn máy biến áp

- C’td là giá thành theo đơn vị quy ước

Dựa vào các thông số P0 , I0%, , C’td để lựa chọn đường kính dtc Phương án lựa chọn cần thỏa mãn các sai lệch so với những giá trị đã cho ở đầu bài, cụ thể là:

- Sai lệch về tổn hao không tải: % 100 15 %

0

0 ) ( 0



P

P P



I

I I

- Sai lệch về giá thành theo đơn vị quy ước: 100 1%

'

''

%'

min

min )

C

C C

C

- Mật độ dòng điện trong dây quấn phải thỏa mãn :

+ Với dây quấn bằng đồng :  < 4,5A/mm2

+ Với dây quấn bằng nhôm :  < 2,7A/mm2

- Ngoài ra dây quấn máy biến áp cũng phải chịu được những lực cơ học xuất hiện khi ngắn mạch, điều kiện đánh giá gián tiếp là:

+ Đối với dây quấn bằng đồng: 3 60

P k k k

r f n Cu

10 244 ,

A a

P k k k

r f n Cu

10 152 ,

%

nx nr

U U

n

U k





Với đường kính chọn được ta có được một hệ số hình dáng  tương ứng của máy biến

áp thỏa mãn được các thông số về kỹ thuật và yêu cầu về giá thành vật liệu tác dụng Tuy

nhiên giá trị  của phương án lựa chọn đã thực sự tối ưu chưa (có thể tham khảo bảng 17)

thì cần thiết phải thực hiện giải bài toán trên với việc lựa chọn lại vật liệu, giá trị từ cảm trụ Bt, điều chỉnh một vài tham số, hệ số…Với một hệ số hình dáng  lớn thường làm tăng trọng lượng, tổn hao không tải, tăng giá thành hệ thống làm mát… nên khuynh hướng khi chọn đường kính d tiểu chuẩn thường lấy phương án ứng với  nhỏ hơn

Đường kính trung bình của rãnh dầu giữa hai dây quấn: d12 = a dtc

Chiều cao dây quấn máy biến áp:

2

tc c d b d t

d k k T k

Phần 2

TÍNH TOÁN DÂY QUẤN MÁY BIẾN ÁP ĐIỆN LỰC

A TÍNH TOÁN DÂY QUẤN HẠ ÁP

1 Số vòng dây một pha của dây quấn hạ áp (HA)

t

U B

Lựa chọn dây quấn hạ áp theo bảng 38 (Thiết kế máy biến áp điện lực – Phan Tử Thụ)

căn cứ vào 4 thông số S (kVA), I1 (A), U1 (kV), T (mm2) Theo bảng 38, dây quấn HA

chủ yếu dùng hai kiểu: hình ống một hay hai lớp dây dẫn chữ nhật và dây quấn hình xoắn mạch đơn hay mạch kép Do đó trong tài liệu này sẽ trình bày phương pháp tính toán dây quấn HA đối với hai kiểu dây quấn này

a Dây quấn hình ống, dây dẫn chữ nhật

Thông thường là dùng dây quấn hai lớp (hình 2.1) Trình tự

tính toán như sau

l h

Ở (2.6) do w22 lẻ đến 0,5 nên số vòng dây được tăng thêm nửa vòng, còn ở (2.7) số vòng dây được tăng thêm 1 là vì muốn quấn thành ống dây phải chuyển sang vòng sau, do đó tuy mới được một vòng nhưng chiều cao phải được tăng thêm một vòng ở chỗ chuyển vòng

3 Tiết diện sơ bộ của một vòng dâycủa dây quấn HA

4 Chọn dây dẫn cho dây quấn hạ áp:

Căn cứ vào hv2 và T2 chọn dây dẫn theo bảng 21 hoặc

bảng 22 (Thiết kế máy biến áp điện lực – Phan Tử Thụ)

Kích thước dây dẫn chọn được viết như sau:

+ Kích thước lớn (kích thước chiều

trục) của sợi dây có cách điện sẽ là:

Với 2 là chiều dầy cách điện hai

phía tra theo bảng 21 hoặc bảng 22

(Thiết kế máy biến áp điện lực –

Phan Tử Thụ)

- Căn cứ vào b và T d2 , tra bảng 21

hoặc bảng 22, tìm được a - kích thước nhỏ hay kích thước hướng kính của sợi dây trần, từ

đó xác định được kích thước hướng kính của sợi dây có cách điện a = a 2

- Trong trường hợp phải quấn dựng sợi dây do không chọn được sợi dây phù hợp, thì chỉ

nên dùng trong trường hợp tỉ lệ kích thước giữa hai cạnh của dây dẫn phải là 1, 3 b 3

a

- Không nên dùng quá 2 sợi có tiết diện khác nhau vì rất bất tiện cho việc đặt hàng

- Kích thước hướng kính của các sợi phải bằng nhau

5 Tiết diện thực của mỗi vòng dây

 

2

6 2 1

Trị số 0,005 ÷ 0,015 (m) là để kể đến việc quấn dây không chặt

8 Bề dày của dây quấn hạ áp

Đối với dây quấn ống đơn (tức một lớp)

trong đó a = 22 5 mm là khoảng cách giữa hai lớp của dây quấn ống kép

9 Đường kính trong của dây quấn HA

 

3

2 2 02 10

D = d  a  m (2.15)

Trị số a02 tra ở bảng 18 (Thiết kế máy biến áp điện lực – Phan Tử Thụ)

10 Đường kính ngoài của dây quấn HA

b Dây quấn hình xoắn

Trình tự tính toán như sau

1 Chiều cao sơ bộ mỗi vòng dây

- Đối với dây quấn xoắn đơn

2 2

Dây quấn xoắn đơn có ba chỗ hoán vị

và một chỗ giáp nối trên, dưới nên chiều

cao dây quấn tăng thêm là 3+1 = 4

- Đối với dây quấn xoắn kép

Ở dây quấn hình xoắn mạch kép, vì

hoán vị phân bố đều nên chiều cao dây

quấn chỉ tăng thêm một vòng

Trong đó h r2  4mmlà chiều cao rãnh dầu (xem bảng 54a- Thiết kế máy biến áp điện lực – Phan Tử Thụ)

Đối với dây quấn bằng đồng, dùng dây quấn hình xoắn mạch đơn khi h2 16,5 mm, ngược lại khi h2 16,5 mm thì dùng dây quấn hình xoắn mạch kép

Đối với dây quấn bằng nhôm, dùng dây quấn xoắn mạch đơn khi hv2  18,5 mm, ngược lại khi hv2 > 18,5 mm thì dùng dây quấn hình xoắn mạch kép

2 Tiết diện sơ bộ một vòng dây

)(10

2 6 2 '

T = 2

v

T mm n

- Dây hình xoắn mạch kép hoán vị phân bố đều, nhưng không có rãnh dầu giữa hai bánh dây của hai mạch đơn (Hình 2.7d)

hướng kính của sợi dây có cách điện a = a 2

4 Tiết diện thực mỗi vòng dây HA

6 Chiều cao dây quấn HA có thể có những trường hợp sau:

- Đối với dây quấn hình xoắn mạch đơn, hoán vị 3 chỗ, giữa các bánh dây đều có rãnh dầu (Hình 2.7a)

Hình 2.7 Xác định các kích thước hướng trục và hướng

kính của dây quấn xoắn

Trong đó: n = 1 đối với dây quấn hình xoắn mạch đơn

n = 2 đối với dây quấn hình xoắn mạch kép

8 Đưòng kính trong của dây quấn HA

10 Bề mặt làm lạnh của dây quấn HA

- Với dây quấn hình xoắn mạch đơn, có rãnh dầu giữa tất cả các bánh dây (Hình 2.7a)

Hình 2.9 Sơ đồ hoán vị phân

bố đều của dây quấn hình

Hinh 2.8 Sơ đồ hoán vị theo chiều dài dây quấn của

dây quấn hình xoắn mạch đơn