Bài tập lớn Thiết kế máy biến áp ngâm dầu ba pha

Do đó khi thiết kế cần làm sao cho thoả mãn nhu cầu như , tổn hao sắt chính và phụ nhỏ nhất , dòng điện không tải nhỏ ,lượng tôn silic làm ít nhất và hệ số lấp đầy củ lõi sắt lớn .Mặt kh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

BÀI TẬP LỚN

THIẾT KẾ MÁY BIẾN ÁP NGÂM DẦU BA PHA

GV hướng dẫn : TH.S

Nhóm SV thực hiện :T.h

Nội dung thực hiện :

Phần 2 : Thiết kế

Trình tự thiết kế :

Chương 1 : Tính toán kích thước chủ yếu của máy biến áp Chương 2 : Thiết kế mạch từ

Chương 3 : Tính toán dây quấn

Chương 4: Tính toán tham số không tải

Chương 5: Tính toán cuối cùng mạch từ

Chương 6 : Tính toán nhiệt máy biến áp

Chương 7: Kết cấu máy biến áp

*Nhiệm vụ thiết kế : Thiết kế máy biến áp điện lực bap ha ngâm dầu công suất 250KVA

Các số liệu ban đầu : -Dung lượng S = 250 KVA

-Điện áp U CA /U HA = 10/0.4 KV

-Tần số f=50hz

-Tổ nối dây nối Δ/γ

-Dòng điện không tải : I 0 = 1.7%

-Tổn hao không tải ΔP 0 = 640 W

-Tổn hao ngắn mạch ΔP n = 3000 w -Điện áp ngắn mạch : U n = 4%

Phần 1 : Tính toán kích thước chủ yêu của MBA

1 Dung lượng 1 pha

Sf = 𝑆

𝑚 = 250

3 = 83.3 KVA [2.1]

Trong đó m=3 : số pha của MBA

S=250KVA : công suất đặt định mức MBA

2.Công suất mỗi trụ

Dung lượng mỗi trụ :

I1= 250

√3.10= 14,4 A 3.2,Phía hạ áp :

+Dây quấn CA : Với cấp điện áp 10KV -> Ut1= 35 KV

B: Chọn các số liệu xuất phát và tính toán các kích thước chủ yếu

1: Chiều rộng của rãnh từ tản giữa dây quấn CA và HA +Chiều rộng quy đổi từ trường tản

ar= a12 + 𝑎1+𝑎2

3 [2.5]

+Tra bảng 19-Trang 188-TL1

2, Hệ số quy đổi từ trường tản

Chương 2 : Thiết kế mạch từ

2.1 : Chọn Tôn SILIC

-Lõi sắt là phần mạch từ của MBA , là phần dẫn từ thông chính của MBA Do đó khi thiết kế cần làm sao cho thoả mãn nhu cầu như , tổn hao sắt chính và phụ nhỏ nhất , dòng điện

không tải nhỏ ,lượng tôn silic làm ít nhất và hệ số lấp đầy củ lõi sắt lớn Mặt khác lõi sắt cũng là nơi mà trên đó gắn nhiều bộ phận khác nữa như : Dây quấn , giá đỡ dây dẫn ra , đối với một

số MBA còn gắn cả nắp máy để có thể nâng cẩu toàn bộ lõi sắt

ra khỏi vỏ khi sửa chữa Hơn thế nữa lõi sắt còn có thể chịu

đựng được ứng lực cơ học lớn khi bị ngắn mạch dây quấn

-Để các yêu cầu với mạch từ như trên được thoả mãn thì việc chọn tôn silic như thế nào là quan trọng , với tôn silic có độ dày bao nhiêu , thành phần silic bao nhiêu là được ? Khi tôn silic có thành phần silic trong lá tôn cao quá thì lá tôn sẽ bị dòn , độ đàn hồi kém đi

-Ta chọn loại tôn cán lạnh là vì loại tôn này có ưu điểm vượt trội

về khả năng dẫn từ và giảm hao mòn so với tôn cán nóng Tôn cán lạnh là loại tôn có vị trí sắp xếp các tinh thể hầu như không đổi và có tính dẫn từ không đẳng hướng , do đó suất tổn hao giảm từ 2->2,5% lần so với tôn cán nóng Độ từ thẩm thay đổi rất ít theo thời gian dùng tôn cán lạnh cho phép tăng cường độ từ cảm trong lõi thép lên tới (1,6->1.65) T trong khi tôn cán nóng chỉ là (1,4->1.45)T Từ đó giảm được tổn hao trong máy , giảm được trọng lượng kích thước máy , đặc biệt là giảm được tối đa chiều cao của MBA , rất thuận lợi cho việc chuyên chở Tuy nhiên giá thành tôn cán lạnh có hơi cao nhưng so với việc giảm được tổn hao và trọng lượng người ta tính rằng vẫn kinh tế hơn những loại MBA được chế tạo bởi tôn cán nóng

Theo bảng 11-Trang 185-TL1

ở đây ta chọn tôn cán lạnh mã hiệu 3405 có chiều dày 0.35mm

[Tra bảng 6-Trang182-TL1] ,

-Chọn : hệ số KG=1,025 ép trụ bằng nêm với dây quấn , ép gông bằng xà ép, bằng bulong đặt phía ngoài gông

2.2: Cắt lá thép

-Do ta sử dụng tôn cán lạnh có tính dẫn từu không đẳng hướng nên việc ghép nối giữa trụ và gông không thể thực hiện kiể mối nối vuông góc như tôn cán nóng được vì vậy góc ép nối #0 khá lớn làm tăng tổn hao sắt (hình 2.1a) mà ta phải dùng mối nối nghiêng hay là phải cắt vát là tôn như hình 2.2 khi đó góc #0 sẽ nhỏ và tổn hao sắt sẽ giảm đáng kể(hình 2.1b)

Hình 2.1 : Mối nối giữa gông và trụ

a: mối nối thẳng b:Mối nối chéo

Hình 2.2: Lá tôn cắt vát

Khi tôn sử lý xong ta sẽ phải xử lí cho tốt bavia , và ta phải ủ lại những lá tôn vừa cắt xong để cho những tinh thể kim loại trong vết cắt trở lại định hướng ban đầu Các lá thép kĩ thuật điện sau

đó được sơn phủ cách điện mặt ngoài trước khi ghép chúng lại với nhau

Số bậc thang của gông lấy nhỏ hơn của trụ 1 bậc , tức là 7 bậc

3 Suất tổn hao sắt trong trụ và gông ( P)

Hình 3.4: Hình chiếu đứng và hình chiếu bằng của M.B.A 3pha

c: Khoảng cách 2 trụ

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

a1: Bề dày quận hạ áp

l: Chiều cao dây quấn

Tra bảng 18 + 19-Trang 188-TL1

Ta xác định các khoảng cách điện chính

m

6, Các hằng số tính toán

Tra bảng 13 -14 –TL1 Trang 185-186

+Tra bảng ta chọn : a =1,36 b= 0,4

7, Hệ số kf đối với máy biến áp ngâm dầu ba pha

8, Hệ số tối ưu β

Để xác định hệ số tối ưu ta cần xác định số liệu và các đặc tính

cơ bản của MBA , ta tính các hệ số

- Đối với các MBA 3pha ngâm dầu 3pha dùng tôn cán lạnh

9.1*Trọng lượng 1 góc của lõi

+𝐾𝑓′ Hệ số phụ (đối với tôn cán lạnh có thể lấy 𝐾𝑓′=1,25)

+Trong đó qT =1,526,qG =1,376: suất từ hoá trong trụ và gông (VA/kg)Tra theo bảng 50 (chương 5)

Qt= 40.qt.G’ [2.21]

Qδ =QK = 3,2.qk.TT = 3,2 22100.TT =70720TT [2.22]

Chọn 𝑘𝑓" =1,2: là hệ số đến sự phục hồi từ tính không hoàn toàn khi ủ lại lá tôn cũng như sự uốn nắn và ép lõi sắt

-Thay số vào công thức (2.18) ta được

loại làm dây quấn và 1kg sắt làm lõi Tra bảng 16 TL1

Chuong5-Vậy Cdq = 1,06.1.71.Gdq=1,8126 𝐶1

𝑥2 =1,8126.256,041

𝑥2 = 464,1

𝑥29.4*Thành phần phản kháng của dòng điện không tải

I0x= 𝑄0

10.𝑆 (%) [2.25]

S=250KVA : Công suất định mức MBA

9.5*Mật độ dòng điện trong dây quấn

Pn =3000 : công suất tổn hao ngắn mạch

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

 Đồ thị chỉ mỗi quan hệ giữa các thông số MBA với

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

thị quan hệ giữa các đại lượng : 𝑃0(𝑊), 𝐺𝐹𝑒, 𝐺𝑑𝑞, 𝐶𝑡𝑑(%) với 𝛽

I: Xử lý các thông số kĩ thuật m.b.a

a Quan hệ không tải 𝑃0 và dòng không tải 𝐼0 theo 𝛽 : P0=f(𝛽)

𝐺𝑑𝑞 với 𝛽 GFe=f(𝛽)

-Tổn hao không tải : P0 < [P0]=640 w

-Thành phần phản kháng của dòng điện không tải :

iox≤ [i0x]= 1,7%

đảm bảo yêu cầu kĩ thuật và an toàn của MBA

Nhận xét :Lựa chọn β dựa vào những thông số kĩ thuật của máy

biến áp : Trị số β ảnh hưởng rất rõ rệt tới đặc tính kỹ thuật và kinh tế của MBA Với những trị số β khác nhau thì tỉ lệ trọng lượng sắt và đồng khác nhau , nếu β tăng lượng sắt tăng lên , dây quấn đồng giảm đi β nhỏ m.b.a gầy và cao , β lớn thì m.b.a béo và thấp Như vậy chọn β sẽ ảnh hưởng đến kích thước và vật liệu làm m.b.a Sự thay đổi β cũng làm thay đổi các thông số kĩ thuật m.b.a như tổn hao và dòng điện không tải , độ bền cơ học

và sự phát nóng của dây quấn, kích thước chung của cả máy

II: Lựa chọn các thông số kĩ thuật m.b.a

-Dựa vào bảng số liệu tính toán và đồ thị so sánh với yêu cầu của bài toán đặt ra lựa chọn 𝛽 tối ưu sẽ là : 𝛽=2,3

6 Trọng lượng dây quấn : Gdq(Kg) 169,642

Chương 3:Tính toán dây quấn máy biến áp

3.1 Các yêu cầu chung đối với dây quấn

3.1.1 : Yêu cầu về vận hành

a Về mặt điện

Đảm bảo cách điện của máy biến áp phải tốt

Sự quá điện áp do đóng ngắt mạch với điện áp làm việc bình thường không ảnh hưởng đến cách điện chính của máy biến áp (cách điện giữa các dây quấn với nhau và giữa dây quấn với vỏ máy)

Sự quá điện áp do sét đánh lên đường dây không ảnh hưởng đến cách điện dọc của máy biến áp (cách điện giữa các vòng dây,lớp dây hay giữa các bánh dây của từng dây quấn)

Nhiệt độ cao làm lớp cách điện của dây quấn máy biến áp nhanh chóng

hư hỏng hoặc bị già hóa làm cho nó mất tính đàn hồi,hóa giòn và mất tính cách điện

Khi thiết kế đảm bảo tuổi thọ của chất cách điện từ 15 – 20 năm

3.1.2 : Yêu cầu về chế tạo

- Kết cấu đơn giản,tốn ít nguyên liệu và nhân công

- Thời gian chế tạo ngắn

- Giá thành hạ

- Đảm bảo được các yêu cầu về mặt vận hành

→Khi ta thiết kế , tính toán dây quấn cần phải kết hợp một cách hợp lý,hiệu quả các yêu cầu trên

Ta thiết kế dây quấn theo 3 bước

- Chọn kiểu và kết cấu dây quấn

- Tính toán,sắp xếp và bố trí dây quấn

- Tính toán các đặc tính của dây quấn máy biến áp

3.2 Tính toán dây quấn hạ áp

Trong trường hợp MBA này là hai dây quấn , cuộn hạ áp quấn trong , cuộn CA quấn ngoài , như vậy ta sẽ tính toán cuộn dây HA trước , sau

đó tính đến cuộn cao áp

1.Tính điện áp một vòng dây

U v2 = 4,44.f.B T T T (3.1)

Trong đó : f =50 HZ tần số nguồn cấp

B T =1,56 : cảm ứng từ (Lựa chọn theo chương 2)

T T =0,022(m 2 ) : Tiết diện hữu hiệu cuả lõi sắt (Lựa chọn theo kết quả tính toán chương 2)

Thay số vào công thức (3.1) ta được :

U v =4,44.50.1,56.0,022 =7,619 (V)

2.Số vòng dây của một pha dây quấn HA

W 2 = 𝑈𝑓2

𝑈𝑣 (vòng) (3.2) Trong đó :

+U f2 =231 V điện áp định mức phía HA (Lựa chọn theo kết quả tính toán chương II)

+U v2 =7,619 V : điện áp một vòng dây

Thay số vào cong thức (3.2) ta được :

W 2 = 231

7,619 = 30,3 (Vòng) Lầm tròn số : W 2 =30 (vòng)

Tính lại điện áp của một vòng dây :

+d 12 = 0,238 m: là đường kính trung bình của một rãnh dầu giữa các dây quấn (Lựa chọn theo kết quả tính toán chương 2)

+P n =3000W là tỏn hao ngán mạch của MBA (Theo lý thuyết đã cho)

+𝑢𝑣2 = 7,7 𝑉: là điện áp mỗi vòng dây

Thay só vào công thức (3.3) được :

∆ tb =0,746.0,93.3000.7,7

250.0,238 10 4 = 2,69.10 6 (A/m 2 ) Nghiê ̣m lại giá trị ∆ tb theo bảng 37_Trang 201_TL1

Với công suát định mức S=250KVA tra được ∆ tb = 2,2÷ 3.5 A/mm 2

Như va ̣y ∆ tb =2.69 (A/mm 2 ) thỏa mãn yêu càu

4.Tính tiết diê ̣n vòng dây sơ bo ̣

T 2 = 𝐼𝑓2

∆𝑡𝑏 (3.4) Trong đó :

+I f2 =360,8 A điê ̣n áp đinh mức phía hạ áp

+∆ tb =2,69 (A/mm 2 ): ma ̣t đo ̣ dòng điê ̣n trung bình trong dây quán HA Thay só vào công thức (3.4) ta được :

-Tra bảng 38_ Trang 202_TL1 , so sánh với các thông só bài ra và tính toán :

+S=250 KVA : công suát định mức MBA

+I f2 =360,8 A dòng điê ̣n dây quán HA

+U f2 =231 V : Điê ̣n áp phía HA

+T 2 =134,126 mm 2 : tiết diê ̣n vòng dây sơ bo ̣

+Ta chọn kết cáu dây quán phía HA , kiểu dây quán hình óng hai lớp dây dãn hình chữ nha ̣t

+Số đệm cách điện giữa mõi bánh dây là 8 (Tra bảng 30 TL1_Trang 197)

5.1: Só vòng dây trong mo ̣t lớp

Dây quán hai lớp :

W 22 = 𝑊2

𝑛 (3.6) Trong đó:

+w 2 =30 vòng : só vòng dây quán tính sơ bo ̣

+n=2 : só lớp

Thay só vào công thức (3.6) ta được : W 22 = 30

2 =15 (vòng ) 5.2: Chiều cao hướng trục của mõi vòng dây (kể cả cách điê ̣n ) sơ bo ̣

h v2 = 𝑙2

𝑊2+1 m (3.7) Trong đó:

+Trong đó l 2 là chiều cao dây quấn : l 2 =0,316 m ( tính toán ở

chương 2)

+W 2 = 30 (vòng)

Thay só vào công thức (3.7) ta được : h v2 =0,316

30+1 = 0,01 (m) =10 mm Ghi trú : Só vòng dây tang thêm +1 là vì muón quán thành óng dây phải chuyển sang vòng sau do đó tuy mới được 1 vòng nhưng chiều cao phải được tang thêm 1 vòng ở chõ chuyển vòng

5.3: Tiết diê ̣n sơ bo ̣ của mo ̣t vòng dây quán HA

T 2 = 134,126 (mm 2 )

5.4 : Chọn dây dãn

-Căn cứ vào chiều cao hướng trục h v2 và tiết diê ̣n sơ bo ̣ của mo ̣t vòng dây T chọn dây dãn HA

Chọn dây lưu ý những điểm sau:

+ Só sợi dây cha ̣p không quá 4 đến 6 sợi

+Không nên dùng nhiều sợi (quá 2) sợi có tiết diê ̣n khác nhau vì rát bát tiê ̣n cho viê ̣c đa ̣t hàng

+Kích thước hướng kính của các sợi phải bàng nhau

+Nên quán nệp sợi dây dãn , nếu quán dựng thì chỉ nên dùng trong các trường hợp tỷ lê ̣ kích thước dây ở trong phạm vi 1,3<b/a<3

Hình ? :Xác định chiều cao của vòng dây

-Lựa chọn cạ nh lớn của sợi dây : b

Đói với dây đòng :

b≤ q.k/(1,07.∆ 2 10 -8 ) (3.8)

Trong đó :

+ k =0,75 hê ̣ só che khuát đói với dây quán hình óng dây chữ nha ̣t

+q≤ 1200÷ 1400 w/m 2 ma ̣t đo ̣ nhiê ̣t phát ra từ bề ma ̣t dây quán (Chọn q=1200 w/m 2 )

+∆ = 2,69 A/mm 2 =2,69 A/mm 2

Thay só vào công thức (3.8) được :

b≤ 1200.0,75/(1,07.2,69 2 10 12 10 -8 ) =0,0116 m = 11,6 mm + Tra bảng 21-Trang191-TL1: ta chọn b= 10mm , a =4mm , tiết diê ̣n dây dãn T d2 = 39,1 mm 2

Lưu ý :Chon dây dãn có tiết diê ̣n lớn sễ đỡ phức tạ p về công nghê ̣ quán dây , kết cáu gọn , nhưng sễ hạ n chế về điều kiê ̣n tản nhiê ̣t của dây quán và tỏn hao phụ cho phếp do dòng xoáy gây nên bởi trường từ tản

+ Chọn só đê ̣m cách điê ̣n : Tra bảng 30_Trang 197_TL1

So sánh ứng với S=250KVA ta chon só đê ̣m giữa các bánh dây là 8 +Tính số vòng dây chập song song sơ bộ được tính như sau

2𝛿 = 0,45 { 𝑎

′ = 4 + 2𝛿 = 4,45

𝑏′ = 10 + 2𝛿 = 10,45 (𝑚𝑚) Vậy ta có quy cách dây dẫn

ΠƂ × 4 × 4 × 10

4,45 × 10,45; 39,1 5.5 Tiết diê ̣n mõi vòng dây gòm n v1 sợi dây cha ̣p đã chọn là :

𝑇2′ =∑𝑛𝑣1 𝑇𝑑2 10−6

1 = 4.39,1.10 -6 =1,564 10 -4 (m 2 ) 5.6 Ma ̣t đo ̣ dòng điê ̣n thực trong dây dãn

∆2= 𝐼𝑓2

𝑇2′ = 360,8

156,4.10 −4 ≈ 2,31 ( A/mm 2 ) (4.0) 5.7: Chiều cao tính toán của dây quán HA

Trong đó:

+ a 01 =0,004m : Khoảng cách cách điện giữa trụ và dây quấn HA (Tra bảng 18 Trang 188_TL1)

+d=0,175 đường kính trụ sát (Chọn theo kết quả chương 2) Thay só vào (4.3) được :D ’ = 0,172 + 2 4 10 −3 = 0,1744 ( m )

5.10 :Đường kính ngoài của dây quấn HA

𝐷 "

2 = 𝐷′2 + 2 𝑎1 (4.4) Trong đó :

+ a 1= 0,013 m : bề dày cuo ̣n hạ áp

Thay só ta được :

𝐷 "

2 = 0,1744 + 2.0,013= 0,2004 ( m ) 5.11 :Trọng lượng đồng dây quấn hạ áp

→Ta phải tăng trọng lượng dây quấn do cách điện lên thêm 1,5% bằng 1,16 (𝑘𝑔)

+n=2: là số rãnh dầu dọc trụ của dây quấn HA

+ k = 0,75 hệ số kể đến bề mặt dây quấn bị tấm đệm che khuất +t = 3: số trụ tác dụng

M 2 = ( 2+1).3.0,75 𝜋.(0,1774+0,2004).0,17 = 1,36 (m 2 )

3.3 : Tính dây quấn cao áp (CA)

1 Chọn sơ đồ điều chỉnh điện áp

Theo bảng 38 trang 202 [Phụ lục 1] ta có thể dùng sơ đồ điều chỉnh điện áp :Hình 3.37a hoặc b

Hình 3.37:

a b

Chú ý : Khi điều chỉnh điê ̣n áp sễ có mo ̣t só vòng dây không có dòng điê ̣n do đó có lực tác dụng lên trọng tâm các dây quán lê ̣ch đi (hình 3.36) làm cho MBA phải chịu những lực chiều trục đáng kể Để tránh lực cơ học tác dụng lên các vòng dây khi ngắn mạch,thường đoạn dây điều chỉnh nằm ở lớp ngoài cùng,mỗi nấc điều chỉnh được bố trí thành 2 nhóm trên dưới nối tiếp nhau (hình3.37b) và phân bố trên toàn chiều cao dây quấn nên không xuất hiện lực chiều trục

Hình3.36:Sự xuất hiện lực chiều trục trong cuộn dây khi có điều chỉnh điện áp

Các đầu phân áp được nối vào các cực của bộ đổi nối 3 pha

Ở đây ta lựa chọn điều chỉnh điện áp CA bằng tay khi M.B.A đã được cắt ra khỏi lưới điện (điều chỉnh điện áp không kích thích KKT) Theo tiêu chuẩn quốc tế những năm gần đây đói với MBA có ông suát 250KVA ta sử dụng 4 cấp điều chỉnh điê ̣n áp ±5 , ±2,5

U đc = 10/0,4 ± (𝑛 2,5%)(𝐾𝑉) (4.7)

Với n = { 1 ; 2}

Với việc chuyển đổi các đầu điều chỉnh điện áp được tiến hành nhờ

bộ đổi nối riêng đặt trong m.b.a có tay quay điều khiển gắn trên thùng

+Điện áp làm việc

𝑈𝑙𝑣 = 10% 𝑈𝑓1 = 10% 10 = 1 (𝐾𝑉) (4.8) +Điện áp thử :

𝑈𝑡ℎử = 2.10% 𝑈𝑓1 = 2 (𝐾𝑉) (4.9)