Tài liệu Đồ án môn học - Thiết kế máy điện doc

NỘI DUNG TÍNH TOÁN: • Tinhd toán kích thước chủ yếu • Tính toán dây quấn CA,HA Máy biến áp điện lực là thiết bị chủ yếu của công mghiệp điện lực.Theo sự phát triển của xã hội và hiện đ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ MÁY ĐIỆN CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU:

• Công suất định mức : 400 kVA

• Điện áp định mức :15/0,4 kV đấu Δ/yo-11

• Tổn hao không tảI : 840 W

• Tổm hao ngắn mạch : 5750W

• Điện áp ngắn mạch : 4%

• Đặc điểm:Đặt ngoài trời,làm việc liên tục,làm lạnh bằng dầu

NỘI DUNG TÍNH TOÁN:

• Tinhd toán kích thước chủ yếu

• Tính toán dây quấn CA,HA

Máy biến áp điện lực là thiết bị chủ yếu của công mghiệp điện lực.Theo

sự phát triển của xã hội và hiện đại hóa của đất nước,qui mô của lưới điện

lớn,yêu cầu kĩ thuật máy biến áp ngày càng cao.Trong quá trình truyền tải để giảm tổn thất điện năng thì điện áp phải được nâng và hạ xuống 4 đến 5 lần.Do vậy tổng công suất của máy biến áp lớn hơn gấp 6 đến 8 lần công suất của nhà máy điện

Ngày nay hiệu suất của máy biến áp được nâng lên rất cao,từ 98 đến

99%,nhưng do số lượng máy biến áp trong hệ thống điện rất lớn nên tổn hao này cũng đáng kể,vì vậy cần phải giảm đến mửc thấp nhất có thể tổn hao trong máy biến áp nhất là tổn hao không tải

Trong quá trình chế tạo thì những máy biến áp cỡ vùa và nhỏ được chế tạo thành loại ba pha.Còn những máy biến áp cơ lớn được chế tạo thành loại một pha sau đó được ghép lại thành tổ máy biến áp ba pha

Công suất máy biến áp ngày càng lớn.Trên thế giới đã chế tạo được máy biến áp ba pha có công suât đến một triệu kVA và điện áp tới 1150 kV.Để đảm bảo chất lượng cung cấp điện năng thông thường thì máy biến áp được chế tạo sao cho có thể điều áp được dưới tải.Máy biến áp được chế tạo với vật liệu có từ tính tốt,có suất tổn hao thấp,độ từ thẩm cao,ngoài ra còn được cải tiến cách làm mát và dùng những vật liệu kết cấu nhẹ và bền

Có thể nói rằng sự phát triển của công nghệ chế tạo máy điện nói chung và công nghệ chế tạo máy biến áp nói chung đã có những sự phát triển vượt bậc

đã tạo ra những máy có công suất lớn,điện áp cao nhưng có kích thước giảm đáng kể

CHƯƠNG 2 :TÍNH TOÁN CÁC KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU

1.Tính toán các tham số cơ bản

1.Công suất trên mỗi pha của máy biến áp:

p p

S

2.Dòng điện định mức trên một pha máy biến áp:

Dòng điện định mức phía cao áp của máy biến áp:

I1=

3 1

.10 400.10

26,73.15.10

3.Điện áp các pha của máy biến áp:

Điện áp bên cao áp của máy biến áp:

Uf1=U1=15000 V Điện áp bên hạ áp của máy biến áp:

3

10 4 , 0 3

3

U

V 4.Điện áp thử nghiệm của dây quấn máy máy biến áp

Theo TCVN ta có điện áp thử nghiệm của máy biến áp:

Dây quấn cao áp của biến áp: Với U1=15 kV thì ta có Ut=38 kV

Dây quấn hạ áp của biến áp : Với U2=0,4 kV ta có Ut=5 kV

5.Kiểu dây quấn trong máy biến áp

Ta có :

aR=

3

2 1 12

a a

+

Hệ số aRphụ thuộc vào kích thước cụ thể của máy biến áp,của dây quấn HA

và CA,do đó chỉ khi bố trí xong dât quấn mới có thể xác định chính

xác.Khoảng cách cách điện giữa dây quấn CA và HA là a12 được chọn theo điện áp thử nghiệm của cuộn CA

Tra theo bảng XIV-2 TKMĐ ta có:

Giữa cuộn CA với HA,cm

Giữa hai cuộn CA,cm

Đầu thừa,cm

p

S k a

a + = Trong đó k là hệ số phụ thuộc vào dung lượng

máy biến áp, vật liệu làm dây quấn CA và tổn hao ngắn mạch trong

MBA.Theo bảng 13.2 TKMĐ ta chọn được k=0,58

Thay ta có:

4 4

5750 100 1, 43

n nr

P

P u

S

Điện áp ngắn mạch phản kháng:

Hình dáng sơ bộ của máy biến áp như hình vẽ:

Hệ thống mạch từ sủ dụng hệ thống ba pha ba trụ có mối ghép chéo góc,ghép thẳng với trụ giữa

Trụ được ghép bằng băng đai và gông dùng sắt góc ép lại.Thép dùng làm lõi sắt là thép cán nguội đẳng hướng 3407 dày 0,3 mm.Lấy mật độ từ cảm trong trụ BT=1,75 T

Theo bảng 13.2 với SP=400 kVA thì trụ có 6 bậc,hệ số điền đầy

kd=0,926

Hệ số ép chặt kc=0,95 ta có hệ số lợi dụng:

ke=kd.kC=0,95.0,926=0,88 Chọn các bậc của gông là 7.Theo phần phụ lục XVII-2 TKMĐ ta có: Hệ

số của gông kG=1,02.Trông đó kG là tỉ số thiết diện giữa gông và trụ.Vì vậy ta có mật độ từ cảm trong gông B =B /1,02=1,75/1.02=1,029 T

Số khe hở trong mạch từ gồm 4 rãnh chéo ở 4 góc và 3 rãnh vuông ở trụ

giữa.Mật độ từ thông trong rãnh vuông góc là:

B"R=BT= 1,75 T

Từ thông trong rãnh chéo là:

B'K=B T / 2 =1, 75 / 2=1,24 T Theo bảng V-4 ta có tổn hao trong thép : +Tổn hao trong trụ pFeT=1,238 W/kg

+Tổn hao trong gông pFeG=0,574 W/kg

+Tổn hao từ hóa trong trụ qT =1,956 VA/kg

+Tổn hao từ háo trong gông qG =1,575 VA/kg

Tổn hao từ hóa trong khe hở không khí:

+Tổn hao từ hóa trong khe hở vuông góc q"K= 0,61 VA/cm2

+Tổn hao từ hóa trong khe hở chéo q'K = 0,0956 VA/ cm2

Theo bảng 13.7 ta có hệ số tổn hao phụ kf=0,91 khi ngắn mạch.Theo

bảng 13.5 và 13.6 ta có được hằng số đối với dây đồng là a=1,4 và b=

1 0 3,6.10 − A k l = 3, 6.10 16,51 0,88.3 25,9 − = kg

Trong công thức trên l0 là khoảng cách từ cuộn cao áp đến gông.Tra bảng

ta có được l0=5 mm

.

A u B K k

a S K

nr T L f

P

2 2

P k k

R f n

10 2453 ,

=

− ) 1

(

100 41 , 1

.

nx

nr

u u

n

u k

π

.1,43 3,74 100

Trọng lượng tôn Silic của các góc gông:

=0,493.10-2.0,88.1,02.16,513.x3=19,91x3Thiết diện của trụ lõi sắt :

ST=0,785.kl.A2.x2= =0,785.0,88.16,512.x2=188,3x2Thiết diện khe hở vuông góc :

S”K=ST=188,3.x2Thiết diện khe hở chéo:

S’K=ST 2=188,3 2.x2=

=266,3.x2Tổn hao không tải trong máy biến áp :

P0=k’F(pTGT+pG.GG)=

=1,25(1,238.GT+0,574.GG)=1,54GT+0,717GG

Ta thấy rằng giá thành thấp nhất của máy biến áp khi β nằm trong khoảng 1,8 đến 2,4.Khi đó ta có đường kính của trụ nằm trong khoảng 19,21đến 20,54 cm.Trong khoảng đường kính đó các thông số đạt yêu cầu.Ta chọn đường kính trụ d=20 cm.Khi đó ta có x=1,211 vậy β=2,153

Thiết diện lõi sắt của mạch từ:

ST=188,3.x2=188,3.1,2112=276,14 cm2Đường kính trung bình của lõi sắt:

d12=a.A.x=1,4.16,51.1,211=28 cm Chiều cao dây quấn của máy biến áp:

C =d12+a12+2a2+a22 = 41,1 cm Điện áp trên một vòng dây:

UV= 4,44.f.BT.ST.10-4= = 4,44.50.1,75.276,1410-4=10,72 V

Trọng lượng sắt của máy biến áp:

GFe=706,49 kg Trọng lượng đồng trong máy biến áp:

Gdq=433,38 kg Mật độ dòng điện trong máy biến áp:

J = 3,44A/mm2Ứng suất trong dây quấn cho phép của máy biến áp:

∂ = M.x3 =16,28 Mpa Tổn hao không tảI trong máy biến áp thiết kế :

P0 = 751 W Dòng tổn hao không tải:

2 2

Chọn số đệm dọc theo chi vi của dây quấn của cuộn dây của cuộn hạ áp là

Các sợi được chia làm hai mạch ghép song song có rãnh dầu ở giữa

Thiết diện của một vòng dây tổng bằng:

S2=3.55,39=166,17 mm2

Mật độ dòng điện trong dây quấn hạ áp trong chế độ định mức:

J2=577,3/166,17=3,47 A/mm2Chiều cao dây quấn hạ áp:

Ta tiến hành tính toán chiều cao dây quấn hạ áp bằng cách cho chiều cao dây quấn hạ áp bằng chiều cao dây quấn cao áp

Chiều cao dây quấn hạ áp được tinh theo công thức:

2 2 '( 2 1) r2 2 ( 2 1)

Trong công thức trên:

l2 : Chiều cao thực tế của cuộn hạ áp

b’ : Chiều rộng của một sợi dây quấn

w2 : Số vòng dây cuộn hạ áp

k : Hệ số khi kể đến sự co ngót của dây quấn khi ép chặt để sây khô.thông thường k=0,94-0,96,ta lấy k=0,95

hr2 : Chiều cao rãnh dầu làm mát

σ : Chiều cao cách điện giữa hai mạch σ =0,1-0,15.Ta lấy

σ =0,1

Ta tiến hành bố trí cuộn dây hạ áp có chiều cao tương đương như cuộn cao áp.Do vậy thì số rãnh thông dầu của máy biến áp phảI chọn sao cho thỏa mãn được điều kiện về chiều cao.Để đơn giản trong thiết kế và lắp đặt ta chọn tất cả các rãnh thông dầu đều có kích thước bằng nhau.Ta có phương trình:

12 ' 0,5 3, 0

v

n

a = a = = cm

Trong thủ nghiệm cao áp thì với cấp điện áp 0,4 kV, điện áp thử nghiệm là

5 kV.Trong kết cấu dây quấn kiểu xoắn ốc ta có a01=1,5 đó là khoảng cách

từ cuộn hạ áp dến gông

Đường kính trong của dây quấn hạ áp:

D’2= d+2a01 = 20+2.1,5 = 23 cm Đường kính ngoài của dây quấn hạ áp:

D”2= D’2+2.a2 = 23+2.3 = 29 cm Đường kính trung bình của dẩ quấn hạ áp:

Dtb2= (D’2+D”2)/2 = (23+29)/2 =26 cm Suất tản nhiệt trên bề mặt dây quấn hạ áp :

2 2

k b a

=

+

Trong công thức trên :

q2 : Suất tản nhiệt trên bề mặt dây quấn hạ áp

J2 : Mật độ dòng điện trong dây quấn hạ áp

wb : Bề rộng dây quấn hạ áp kể cả đến cách điện

2.TÍNH TOÁN DÂY QUẤN CAO ÁP

Do yêu cầu của máy biến áp có điều chỉnh điện áp nên ta tiến hành thiết kế dây quấn cao áp có các đầu ra cho phép điều chỉnh điện áp.Chọn điều chỉnh điện áp là ± ± 2 2,5%

Dòng điện qua tiếp điển của bộ điều chỉnh bằng 72,168 A

Điện áp của hai đầu điều chỉnh :

Sơ đồ đầu điều chỉnh điện áp :

Điện áp giữa hai đầu điều chỉnh điện áp -5 và +5 bằng :

3 2,5%.15.10 375

Đối với dây quấn cao áp ta chọn dây quấn xoắn ốc liên tục

Số vòng dây cơ bản của cuộn dây cao áp :

dcf dc V

U w U

Mật độ dòng điện sơ bộ trong dây quấn cao áp:

sợi,thiết diện dây cao áp bằng :

2 1

1,50 5,00

7, 29 2,00 5,5

×

Mật độ dòng điện trong dây quấn cao áp:

1 1 1

Giữa hai bánh dây kép ta thiết kế một rãnh dầu rộng 0,5 cm.Giữa hai lớp dây quấn của dây quấn kép ta đặt lót cách điện dày 0,05 cm.Ở hai rãnh dầu dây quấn ta để một khe hở 0,75 cm để tăng cường cách điện.Khe hở giữa hai nửa cuộn dây ta đặt bằng h=1,25 cm,chiều cao của một bánh dây b’=0,55 cm

Số bánh dây của cuộn dây cao áp:

2 1

85,8

K k

825

80

b K

w w

n

Ta tiến hành chia số vòng dât trung bình cho mỗi bánh:

+ Chọn 58 bánh cơ bản, mỗi bánh có 11 vòng ,bánh 59 có 7 vòng ,tổng cộng có 645 vòng

+ Chọn 4 bánh cách điện tăng cường,mỗi bánh có 9 vòng,tổng cộng có 36 vòng

+ Chọn 12 bánh cách điện tăng cường ,mỗi vòng có 12 vòng,tổng cộng

có 144 vòng

Tổng cộng có 645+36+144=825 vòng

Sơ đồ bố trí dây quấn như hình vẽ :

Trong hình vẽ trên :

Bánh dây T : Bánh dây có quấn cách điện tăng cường

Bánh dây C : Bánh dây cơ bản

Bánh dây D : Bánh dây điều chỉnh điện áp

Chiều cao của cuộn dây cao áp :

Chiều dày của cuộn dây cao áp :

a1 = a’2.wb1= 11.0,5 = 5,5 cm Đường kính ngoài của cuộn dây cao áp :

D”1 = D’1+2.a1 = 29,9+2.5,5 = 40,9 cm Đường kính trung bình của dây quấn cao áp :

Dtb1= (D’1+D”1)/2 = (29,9+40,9)/2 = 35,4 cm

Suất tản nhiệt của cuộn dây cao áp :

1 1 1 1

Trọng lượng dây quấn cao áp khi kể cả tới cách diện :

Kích thước dây quấn của máy biến áp :

TÍNH TOÁN CHÍNH XÁC KÍCH THƯỚC MẠCH TỪ

Trong thiết kế ta dùng loại thép 3407 chiều dày là 0,3 mm ta không dùng cách điện bổ xung trong mạch từ

Kích thước của trụ mạch từ d=23 cm.Trụ trong máy có 6 bậc

Thiết diện của trụ :

t t

D S k

k0 tra theo bảng 10.1 TK MBA –Phạm Văn Bình,Lê Văn Doanh

Thiết diện của trụ thuần sắt tương ứng :

S’T = kcSt = 0,95.379,9 = 361 cm2

TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH

Tổn hao cơ bản trong máy biến áp :

+Tổn hao đồng trong cuộn dây hạ áp :

Tổn hao phụ trong máy biến áp :

Tổn hao phụ trong máy biến áp :

Pf=kfPCuTrong công thức trên :

2 2

Ta có

2 2

2 1

Tổn hao cơ bản trong dây dẫn qui đổi:

Chiều dài dây dẫn qui đổi :

ldd2=7,5.l=7,5.40,85=306,37 cm Trọng lượng đồng trong dây quấn hạ áp qui đổi :

Qdd2=ldd2S2 γ Cu .10-8=306,37.166,17.8900.10-8= 4,53 kg

Tổn hao đồng trong dây quấn hạ áp trong chế độ định mức :

Pdd2=2,4.J22.Qdd2=2,4.3,662.4,53=145,6 W Trọng lượng đồng trong dây quấn cao áp qui đổi :

Qdd1=ldd1S1. γ Cu 10-8=306,37.7,29.8900.10-8=0,2 kg Tổn hao trong dây quấn cao áp :

Pdd1=2,4.J12.Qdd1=2,4.3,472.0,2=5,78 W Tổn hao thùng dầu và các chi tiết khác qui đổi :

Ptđ=10.k.SP=10.0,025.400=100 W Tổn hao ngắn mạch trong máy biến áp được thiết kế :

Pn=P dq1 k f1 +P dq2 k f2 +P dd1 +P dd2 +P t đ= =.1,006+2566,8.1,026+5,78+145,6+100 =

Ta thấy ΔU% =4,96%< 5% Thỏa mãn yêu cầu đặt ra

Tổn thất điện áp trong dây quấn cao áp trong điều kiện tỏa nhiệt bình thường:

P’n=Pn-0,05(Pdq1kf1)=5780 - 0,05(3390.1,006)=5609,48W

Điện áp ngắn mạch tác dụng phần trăm :

unr=P’n/(10.SP)=5609,48/(10.400)=1,40 % Điện áp ngắn mạch phản kháng phần trăm:

'

3 2

7,92

.10

P R R q nx

V

S a k k u

Ta thấy sai số nhỏ hơn 5% vì vậy chấp nhận được

Dòng ngắn mạch hiệu dụng của máy biến áp :

Incđ=If1.100/un=26,7.100/3,91=682,86 A Dòng điện ngắn mạch đỉnh :

u u max

Ứng suất cho phép của dây quấn cao áp σcp=60 Mpa

Ta thấy ứng suất của dây quấn cao áp thỏa mãn yêu cầu ứng suất cho phép Lực do từ trường tản gây ra trong dây quấn cao áp :

+ m : Hệ số phụ thuộc vào cách bố trí dây quấn ta có m = 4

Ta có : l”=(B-d)/2 với B là chiều rộng của thùng dầu

Lực điện động lớn nhất trong dây quấn của máy biến áp :

+ Lực điện động lớn nhất trong dây quấn hạ áp :

Ft2=F’t+F”t=17066+27917=44983 N + Lực điện động lớn nhất trong dây quấn cao áp :

Ft1=F”t-F’t=20845-9009=11836 N Trong phân bố dây quấn ta thấy lực điện động lớn nhất là ở giữa dây quấn

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN NHIỆT VÀ THÙNG DẦU

I TÍNH NHIỆT ĐỘ CHÊNH LỆCH QUA TỪNG PHẦN :

1) Nhiệt độ chênh trong lòng dây quấn hay lõi sắt với mặt ngoài

Đối với dây quấn hạ áp:

Dây quấn làm bằng dây chữ nhật nhiệt độ chênh chủ yếu là hiệu số nhiệt độ của các lớp cách điện, theo (6-1) ta có:

hạ áp).Vậy:

θ02 = 0 , 25 10 1 , 236

17 , 0

6 ,

Đối với dây quấn cao áp:

Dây quấn làm bằng dây dẫn tròn ta coi dây quấn như một khối có hai mặt tiếp xúc với dần và qua tính toán cho thấy nhiệt độ phân bố trong cuộn

dây có dạng parabol thì đối với chỗ nóng nhất là ở giữa dây quấn có nhiệt độ

θ2 Do đó nhiệt độ chênh trong lòng so với mặt ngoài dây quấn được tính theo (6 - 3a) hình 1

Vậy:

θ01 = θ1 - θ2 =

tb

a P

λ 8

1 1

a1 là chiều dày của dây quấn

a1 = 5,5 (mm)

p1 là tổn hao trong đơn vị thể tích dây quấn

Đối với dây quấn đồng được tính theo (6-4a)

1 ' 1 1 '

1 1

10 ) (

+

Δ

d L d

1 1 ' 1

) (

.

d

d

l l

l l

λδλ

δλ

λ+ +

λL1 = 0,17 là dẫn suất điện giữa các lớp tra trong bảng 50:

cd

Trong đó: α =

1 1

2) Nhiệt độ chênh giữa mặt ngoài của dây quấn với dầu

Hiệu số nhiệt độ này phụ thuộc vào năng lượng tổn hao của dây quấn

và thường được xác định theo công thức kinh nghiệm gần đúng

(6-10a)

θ0d = k.q0,6

Trong đó:

k = 0,285

q – mật độ dòng nhiệt dây quấn (w/m2)

0,6 – chỉ số luỹ thừa kinh nghiệm

M

p M

k

p Cu f

9116 ,

Căn cứ vào dung lượng máy biến áp và bảng 54 ta chọn thùng dầu ống, làm lạnh bằng dầu (S = 400 KVA)

2) Chọn các kích thớc tối thiểu bên trong của thùng

Căn cứ vào kích thước đã biết của lõi sắt, dây quấn để chọn các khoảng cách cách điện tối thiểu từ dây dẫn ra đến các bề mặt của dây quấn đến vách thùng và các bộ phận nối đất khác của máy biến áp

1) Chiều rộng tối thiểu của thùng:

S3: Khoảng cách từ dây quấn hạ áp đến mặt dây quấn cao áp S3 = 2(cm)

S4: Khoảng cách từ dây dẫn ra của dây quấn hạ áp đến vách thùng

H = H1 + H2

H1: là khoảng cách từ đáy thùng đến hết chiều cao lõi thép

H1 = LT + 2hG + n

n: Chiều dày tấm lót gông dới: n = 5(cm)

H2:Khoảng cách tối thiểu từ gông đến nắp thùng

- Chiều dài tối thiểu: A = 128,9859(cm)

- Chiều rộng tối thiểu: B = 55,113(cm)

- Chiều cao của thùng: H = 142,9859(cm)

Dây quấn CA

Dây dẫn ra CA

s2 d1

3 Tính toán nhiệt thùng dầu

Thùng dầu đồng thời là vỏ máy của m.b.a trên đó có đặt các chi tiết máy rất quan trọng như sứ ra của các dây quấn CA và HA, ống phòng nổ, vì vậy thùng dầu ngoài yêu cầu tản nhiệt tốt còn phải đảm bảo các tính năng về điện (như đảm bảo khoảng cách cho phép giữa dây quấn với vách thùng), có độ bền cơ học đảm bảo, chế tạo đơn giản và có khả năng rút gọn được kích thước bên ngoài

a, Chọn loại thùng dầu

Thùng làm bằng thép Tùy theo dung lượng của m.b.a mà hình dáng và kết cấu thùng khác nhau Với công suất m.b.a SP=200KVA, ta chọn thùng có vách dạng cánh sóng, không có bình giãn dầu, thùng hoàn toàn kín

Cánh sóng được chế tạo từ tôn tấm dày δ=(0,8÷1,0)mm hàn vào thành thùng Loại thùng này đã được dùng cách đây khá lâu nhưng do nhược điểm là quá nhiều mối hàn so với kiểu ống nên sau đó đã bị loại bỏ Tuy nhiên, hiện nay công nghệ hàn nhất là hàn tự động phát triển, nên nhược điểm trên đã được khắc phục Thùng có cấu tạo đơn giản, cánh sóng có thể được uốn tròn hoặc gấp hai mép bằng

kỹ thuật hàn tiếp xúc lăn Có thể dùng bình giãn dầu hoặc không Khi không có bình giãn dầu thì dầu có thể tự giãn nở tự do trong cánh sóng nhờ độ đàn hồi của cánh, thùng hoàn toàn kín

''

1 s s d s s d D

B= + + + + + +

trong đó: d 1 - đường kính dây dẫn ra CA