Tài liệu Kháo sát bộ nguồn P46 và P52- Thiết kế máy biến áp, chương 3 ppt

CHƯƠNG 3 LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN MÁY BIẾN ÁP I. Nguyên lý làm việc của máy biến áp : Máy biến áp làm nhiệm vụ biến đổi điệp áp. Có hai loại máy biến áp: Máy biến áp tăng áp và máy biến áp hạ áp. Nguyên lý làm việc của máy biến áp dựa trên cơ sở hiện tượng cảm ứng điện từ. Khảo sát một máy biến áp đơn giản gồm hai cuộn dây được quấn trên lõi sắt mạch từ cột. Cuọân dây N 1 mắc nối tiếp với nguồn điện vào và được gọi là cuộn sơ cấp, cuộn N 2 , lấy điện áp ra gọi là cuộn thứ cấp. Hình 7. Nguyên tắc làm việc máy biến áp. Khi cuộn dây thứ cấp N 2 để hở, dòng điện sơ cấp N 1 , tạo ra sức điện động F 0 gây từ thông lưu thông trong mạch từ qua hai cuộn dây N 1 và N 2 , làm phát sinh các sức điện động E 1 và E 2 trong 2 cuộn sơ cấp và thứ cấp. Khi nối cuộn thứ cấp N 2 với phụ tải thì dòng điện thứ cấp I 2 xuất hiện. Phụ tải càng tăng, dòng I 2 càng tăng làm dòng I 1 tăng theo tương ứng để giữ ổn đònh từ thông không đổi. Đó là nguyên lý làm việc của máy biến áp. Nếu U 2 >U 1 : máy biến áp tăng áp U 2 <U 1 : máy biến áp hạ áp. I 1 U 2 U 2 I 2 E 1 E 2 m  U 1 II. Các công thức cơ bản về máy biến áp: - Khi máy biến áp không tải, N 2 chưa có tải, I 0 = 0 U 1 = E 1 +R 1 I 1 +X 1 I 1 = E 1 +R 1 I 0 +X 1 I 0 = E 1 Do I 0 =0,04÷0,1I đm nên U 1 =E 1. -Khi máy biến áp có tải I 2 >0: U 1 = E 1 +R 1 I 1 +X 1 I 1 với U 1 >E 2 U 2 = E 2 -R 2 I 2 -X 2 I 2 với U 2 <E 2 Các sức ứng điện động E 1 ,E 2 sinh ra trong các cuộn sơ cấp và thứ cấp được xác đònh như sau: e= -N* dt td N dt d m  sin * 1    e 1 = tN m  cos*** 1  Vậy ta có: 22 11 ***44,4 ***44,4 NfE NfE   trong đó, điện lưới số tần là f với f 2 thép lõi trong ra sinh thông từ :     *Tỷ số biến áp:Tỷ số giữa điện áp U 1 và điện áp U 2 , ta có: 2 1 2 1 2 1 U U N N E E k u  Muốn xác đònh tỷ số biến áp K u nên đo khi máy biến áp vận hành không tải. *Tỷ số biến dòng: u I kU U N N E E k 1 1 2 1 2 1 2  III. Phân loại máy biến áp: Có nhiều cơ sở để phân loại máy biến áp, nếu căn cứ vào nguồn cấp điện cho máy biến áp để có thể phân loại máy biến áp một pha với máy biến áp 3 pha. Ở đây, ta chỉ căn cứ vào dây quấn sơ cấp N 1 và thứ cấp N 2 mà phân chia thành hai dạng máy biến áp: Máy biến áp cách ly, có cuộn sơ cấp và thứ cấp biệt lập. Máy biến áp tự ngẫu, có các cuộn sơ cấp và thứ cấp cùng quấn chung một cuộn, do đó chúng có cùng một mạch. Hình 8a. Biến áp cách ly Hình 8b. Biến áp tự ngẫu Ưu điểm của máy biến áp tự ngẫu so với máy biến áp cách ly: Khối lượng dây đồng và mạch từ giảm nhiều.  Ở các đoạn chòu tải chung 2 dòng I 1 và I 2 chỉ cần có tiết diện chòu tải hiệu hai dòng điện I 1 vàI 2.  Hiệu suất cao hơn so với máy biến áp cách ly.  Không lưu ý lớp cách điện giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp. Khuyết điểm:  Không an toàn, chỉ dùng biến áp tự ngẫu khi tỷ số k u = 0,5 ÷2  Đối với ngành điện tử, máy biến áp tự ngẫu ít được sử dụng vì nguy hiểm cho người sử dụng và gây tiếng ù, nhiễu. VI. Các bước tính toán biến áp một pha công suất nhỏ: Trong tập luận án này, ta chỉ lưu ý đến máy máy biến áp cách ly, vì ở đây, bộ nguồn sử dụng nhiều máy biến áp cách ly hơn với với máy biến áp tự ngẫu (chỉ sử dụng hai bộ Variac). Khi tính toán máy biến áp một pha, công suất nhỏ (dưới 5KVA), ta có thể tạm chia thành các dạng bài toán sau: - Dạng bài toán dựa vào sơ đồ biến áp để xác đònh kích thước lõi thép và số liệu dây quấn (bài toán thuận). - Dạng bài toán ngược là dựa vào kích thước lõi thép ta tính toán số liệu dây quấn biến áp theo một yêu cầu để tận dụng tối đa công suất lõi thép. Các phần chính của máy biến áp là: Lõi thép và dây quấn. 1. Lõi thép: Lõi thép là máy biến áp thường dùng là loại thép được cán mỏng, có chứa hàm lượng silic từ 1%-4%và bề dày từ 0,35mm-0,5mm, nhằm mục đích giảm tổn hao điện năng trong mạch từ do tác dụng bởi dòng điện Fuco và hiện tượng từ trễ làm phát nhiệt. Từ cảm có thể chọn B=1T hoặc 1,2T (hay1000 Gauss hoặc 1200 Gauss). Ngoài ra loại thép có hàm lượng silic 1% ta chọn B=0,7-0,8T. Lõi thép máy biến áp có hai loại hình thông thường đó là hình chữ U-I và chữ E-I, được cán mỏng thành từng tấm. Các mẫu khuôn này được dập khuôn theo một kích thước nhất đònh có trên thò trường. Chất lượng lõi thép được qui đònh bằng hàm lượng silic có trong thép. Nó ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng máy biến áp, sắt đúng chất lượng sẽ có độ từ cảm lớn, từ thông sinh ra lớn, gây nên từ trường mạnh. Nhờ đó đảm bảo với một số vòng dây quấn sẽ cho sinh ra một điện áp chính xác cao. Thép càng mỏng tổn hao càng ít. Ngoài ra, hai mặt lõi thép còn được tráng một lớp verni rất mỏng nhằm mục đích làm giảm tồn hao năng lượng. Bảng chuẩn của lõi thép chữ E-I: a e c g b a h Hình 9a.E_I Hình 9b. U-I Loại a b C d e f g h 60.50 60 50 10 10 20 30 40 3.5 63.52,5 63 52.5 10.5 10.5 21 31.5 42 3.5 75.62,5 75 62.5 12.5 12.5 25 37.5 50 4.2 84.70 84 70 14 14 28 42 56 4.5 96.80 96 80 16 16 32 48 64 5.5 108.90 108 90 18 18 36 54 72 5.5 126.105 126 105 21 21 42 68 84 6.05 150.125 150 125 25 25 50 75 100 9 180.150 180 150 30 30 60 90 120 9.3 60.80 60 80 10 10 20 60 70 3 60.90 60 90 10 10 20 70 80 3.5 Bảng 1. 2. Dây quấn: Dây quấn có nhiệm vụ tăng giảm điện áp, gồm có cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp. Dây quấn phải là dây đồng được phân hoặc nhôm có bọc lớp email hoặc coton để cách điện. Các máy biến áp công suất nhỏ dây quấn thường dùng dây tròn có đường kính không quá 3mm. Đối với dây chòu tải ở dòng điện lớn ở máy biến áp công suất lớn dùng dây dẹp, tiết diện vuông hoặc chữ nhật thì lợi hệ số lấp đầy dây hơn. Các bước tính toán như sau: Bước1: Tính chọn lõi thép Lõi thép thông dụng nhất là loại thép có hình dạng E-I. Xác đònh sơ đồ biến áp với đầy đủ các tham số điện áp và dòng điện ở phía thứ cấp và sơ cấp. Từ đó suy ra công suất biểu kiến S 2 ở phía thứ cấp: S 2 =  n 1 U 2i .I 2i (KVA) Bước2: Nếu áp dụng các công thức ước lượng thông thường, từ giá trò S 2 , ta đònh ra tiết diện cần dùng cho lõi thép máy biến áp A t . A t =1,423.K hd . B 2S [cm2]. Với lõi thép dạng U-I thì K hd = 0.75-0.85 Với cách xác đònh này A t = a.b * Khi chọn a = b với A t = a.b, chu vi trung bình của sợi dây nhỏ nhất (so với các kết cấu khác khi chọn a khác b và A t = a.b). Do đó dẫn đến khối lượng dây tốn ít nhất và tổn hao đồng trong biến áp nhỏ nhất, có thể làm tăng hiệu suất biến áp, giảm nhỏ độ giảm áp ở thứ cấp biến áp khi mang tải. Tuy nhiên, khi chọn theo phương pháp này khối lượng lõi thép sẽ tăng lên so với kết cấu khác của lõi thép khi a<b * Khi a<b, khối lượng lõi thép sẽ ít tốn hơn so với lúc chọn a>b và A t =a.b, nhưng khối lượng dây đồng sẽ tốn nhiều hơn, tổn hao đồng trong máy biến áp tăng, hiệu suất có thể giảm và tăng độ giảm áp ở thứ cấp khi mang tải. Trong trường hợp này, để dễ thi công bộ dây ta chỉ nên chọn b = 1,5a là tối đa để tránh cuộn dây bò phình ra ở phần hông khi thi công. * Khi chọn a, b, trò số a có liên quan đến dòng từ hóa lõi thép máy biến áp. Giả sử với lõi thép E-I có kích thước đúng tiêu chuẩn bề dài đừơng sức trung bình là l tb = 6a. Theo đònh luật Ampere, khi bỏ qua khe hở không khí trong mạch từ, ta có dòng điện từ hóa như sau: N1. i 10 =H. l tb N1: Tổng số vòng dây quấn sơ cấp. i 10 : Dòng điện từ hóa ở cuộn sơ cấp. H: Cường độ từ trường, tương ứng với giá trò từ cảm B đã xác đònh để tính ra từ thông và số vòng N2 ở sơ cấp. Vậy a càng lớn i 10 càng lớn. Bước3: Xác đònh số vòng dây quấn phía sơ cấp và thứ cấp 1. Xác đònh số vòng tạo ra 1 volt sức điện động cảm ứng: E = 4,44.f.B.A t .N(V) Khi E= 1V thì N= n v Vậy n v = At*B*f*44,4 1 f= [Hz}; B= [T]; A t = [m 2 ];n v = [Vòng/volt] Nếu chọn A t =[cm 2 ] ta có: Nếu chọn B=0,8T ta có n v = t A , 3 56 B= 1T ta có n v = t A 45 B= 1,2T ta có n v = t A , 5 37 Mặc khác n v = At*B*f*44,4 1 Vậy số vòng dây quấn sơ cấp: N 1 =U 1. n v N 1 : tổng số vòng quấn sơ cấp. U 1 : điện áp đònh mức của dây quấn sơ cấp. 2. Đối với máy biến áp hai dây quấn, khi tính toán số vòng thứ cấp ta căn cứ vào giá trò điện áp thứ cấp không tải U 20 . Gọi  U% là phầøn trăm sụt áp tại thứ cấp mang tải so với lúc không tải Vậy  U%= 2 220 U U U  .100% U 20 : Điện áp không tải thứ cấp. U 2 : Điện áp đònh mức thứ cấp. Theo Beyaert, khi tính toán có thể ước lượng  U% theo cấp công suất của biến áp ,ta có thể đònh nghóa đại lượng Ch sau đây để dễ tính toán: 1 U U 100 2 20  U%  Ch U 1 100 2  U U% 20  . Vậy U 20 =Ch.U 2 hay Ch=1+ 100 % U  Trong tính toán chính xác, ta dựa vào S 2 để ước lượng Ch, trong trường hợp ước lượng nhanh, ta có thể chọn: Ch=1,05  1,15. Bước 4: Dựa vào S 2 ta ước lượng gần đúng hiệu suất ba  rồi suy ra dòng sơ cấp: Dòng điện phía sơ cấp: I 1 = 1ba 2 U S * Bảng 2: Quan hệ giữa  U% theo công suất biểu kiến S 2 . Theo Beyeart ta có: S 2 (VA) 5 10 25 50 75 100 150 200 300  U% 20 17 15 12 10 9 8 7,5 7 Theo Transfomatoren Fabik Magnus ta có  U% theo S 2 khi phụ tải thuần trở (cos  =1). S 2 (VA) 25 50 75 100 150 200  U% 8 6,5 6,1 6 5,9 5,2 S 2 (VA) 250 400 500 600 750 1000  U% 5 4,3 4 3,9 3,8 3,75 Theo Schindler S 2 (VA) 100 200 300 500 700 1050 1200 1500  U% 4,5 4 3,9 3 2,5 2,5 2,5 2,5 Quan hệ Ch theo: S 2 (VA) Ch% S 2 (VA) Ch% S 2 (VA) Ch% S 2 (VA) Ch% 5 1,35 50 1,12 180 1,06 700 1,032 7,5 1,28 60 1.11 200 1,058 800 1,03 10 1,25 70 1,10 250 1,052 900 1,028 15 1,22 80 1,09 300 1,048 1000 1,025 20 1,18 90 1,085 350 1,045 1500 1,02 25 1,16 100 1,08 400 1,042 2000 1,016 30 1,14 120 1,075 500 1,038 3000 1,009 40 1,13 150 1,065 600 1,035 Bước 5: Chọn mật độ dòng điện J, căn cứ vào giá trò dòng điện (tính được mỗi bộ dây) để suy ra đường kính dây quấn của mỗi bộ dây: d= 1,128. )(mm J I . Trong đó I=[A],J=[A/mm 2 ]. Khi chọn J chú ý đến các tham số ràng buộc sau: - Cấp cách điện của vật liệu dùng chế tạo bộ dây. - Chế độ làm việc dài hạn, ngắn hạn có lặp lại hay không lặp lại. - Điều kiện thông gió và giải nhiệt. Bảng 3: Quan hệ giữa ba  theo S 2 . Theo Robert Kuhn S 2 (VA) 3 10 25 50 100 1000 ba  % 60 70 80 85 90 >90 Theo Auton Hopp S 2 (VA) 30 50 100 150 200 300 500 750 1000 ba  % 86,4 87,6 89,6 90,9 91,3 93 93 95,3 94 Theo Walter Kehse. S 2 (VA) 10 20 30 50 100 150 300 500 ba  % 80 80 85 90 91 92 92 92,5 Bieán aùp cho boä nguoàn chænh löu (Theo AEG ). S 2 (VA) 25 50 100 200 300 400 500 700 1000 ba  % 76,5 84 85 86 88 90 90,5 91 92 Theo Newnes S 2 (VA) 100 150 200 250 500 750 ba  % 88,5 89,3 90,5 91,2 92,6 93,5 S 2 (VA) 1000 1500 2000 2500 3500 5000 ba  % 94,1 95 95,4 95,7 95,9 96,2 Theo Elektroteknik und Machinenbau. S 2 (VA) 150 250 500 1000 2000 3000 5000 ba  % 88,5 89,6 91 92,8 94,2 94,9 95,7 Theo National Bureau of standar S408-Westinghouse. S 2 (VA) 2,5 5 9 25 50 80 150 200 500 ba  % 78 81,8 84,2 87,7 88,8 90,5 92,5 92,2 94,1 Theo Schindler S 2 (VA) 100 200 300 500 ba  % 92,5 93,5 94 94,5 Theo Tranformatoren Fabik Magus S 2 (VA) 25 50 75 100 150 200 250 400 500 ba  % 84,2 86,8 89 90 91 91,9 92 93,2 93,8 [...]... 500  1000 4 3 Ngoài ra có thể chọn J theo nhiệt độ phát nóng cho phép của dây quấn Theo Beyeart ta có bảng sau: Bảng 5:Quan hệ giữa J và At như sau: At(cm2) 1 1,4 2 2,4 2,8 3 3,5 4 4,5 J(A/mm2) với độ gia nhiệt 400C 4,6 4 3, 5 3, 3 3, 1 3 2,8 2,7 2,6 J(A/mm2) với độ gia nhiệt 600C 5,5 4,9 4 ,3 4 3, 7 3, 6 3, 4 3, 3 3, 2 At(cm2) 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 9 10 J(A/mm2) với độ gia nhiệt 400C 2,4 2 ,35 2 ,3 2,25 2,2 2,15... 1,9 1,8 J(A/mm2) với độ gia nhiệt 600C 3 2,8 2,8 2,7 2,6 2,6 2,5 2,4 2 ,3 Bước 6: Kiểm tra hệ số lấp đầy klđ theo diện tích cửa sổ lõi thép: Hình 10 Hình dạng lõi thép - Bề rộng cửa sổ c=a/2 - Bề cao cửa sổ h=3a/2 Vì vậy, ta có Acs= c* h =3a2/4 Sau đó, căn cứ vào số liệu dây quấn (số vòng và đường kính dây) ta xác đònh tiết diện choán chỗ dây quấn trong cửa sổ và suy ra hệ số lấp đầy cửa sổ: Klđ = Tổng... sổ mạch từ Klđ =0 ,36  0,46 là phù hợp * Thể =( tích lõi thép  a 5a 3a   * b  6a 2 * b  * 3a  2(c * h) * b)   15  2 2 2    2 2 Vậy khối lượng cuả lõi thép là Wthvới: Wth= 6a2 * b*7,8 (kg) Wth =46,8* a2*b Với  th =7,8 kg/dm3 a,b =[dm] Bước 7: Chọn bề dầy cách điện làm khuôn dây quấn (ekh ) và kích thước lõi gỗ(hay nhôm) làm lõi dây quấn Chọn bề dầy ekh theo công suất biến áp S2 Bảng 6:... điện Hhd * K qd d cđ Kqd=0, 93 0,95,dây đồng tiết diện tròn tráng email Kqd=0,9÷0, 93, dây đồng bọc coton tiết diện tròn Kqd=0,8÷0,85, dây đồng tiết diện chữ nhật * Từ giá trò số vòng cuả từng bộ dây (SV) sơ và thứ cấp, ta căn cứ theo số vòng dây của mỗi bộ dây để đònh ra số lớp (SL) cho từng bộ dây ta có: SL = Tổng số vòng bộ dây N  Số vòng dây quấn một lớp SVlớp Theo Beyaert bề dày cách điện mỗi lớp... ekh và S2 S2(VA) 1÷10 ekh(mm) 0,5 10÷200 200÷500 500÷1000 1000 30 00 1 2 3 4 Trong bước tính trên, khi tính At , chọn a và b, ta căn cứ theo giá trò b tìm được suy ra số lá thép cho từng lõi thép theo bề dầy mỗi lá thép Tuy nhiên, khi thi công, lúc ghép tất cả các lá thép lại với nhau, bề dầy lõi thép sẽ lớn hơn b tính tóan (vì do lớp bavia) khi dập lá thép Như vậy, bề dầy thực sự dùng làm lõi thép và. .. (khi biến áp làm việc liên tục,làm nguội tự nhiên hoặc dùng cấp cách điện thấp Y hay A S2(VA) J(A/mm2) 0  50 4 50  100 3, 5 100  200 3 200  500 2,5 500  1000 2 Trường hợp biến áp làm việc ngắn hạn (liên tục trong 6 giờ đến 10 giờ), cách điện dùng cấp cao hơn E hay B ta có thể chọn J cao hơn trong bảng 4 từ 1,2  1,5 lần S2(VA) J(A/mm2) 0  50 6 5 50  100 5,5  4,5 100  200 5 4 200  500 4,5  3, 5... không quá 100C trong 8 giờ - Độ ẩm tương đối môi trường xung quanh 98% ở 250C Bảng 8: Vật liệu cách điện dùng trong biến áp Chất cách điện Giấy bóng (15/1000,loại dùng cho tụ) Giấy bóng 3/ 100 Điện áp đánh thủng (V) 500 500 Giấy bóng 4/100 Giấy dầu 5/100 Vải dầu 5/100 Bìa Pressphalin 1/10 Bìa 5/100 Bià 1mm 600 1000 30 00 800 4000 8000 ... khuôn quấn biến áp có thể dày lớn hơn b, ta gọi bề dầy này là b’ b’= b k ghép  b 0.9  0,92 Vậy kích thước khuôn quấn có thể chọn như sau: akh= a+(1÷2mm) bkh=b’+(1÷2mm) hhd=bề cao hiệu dụng khuôn dây quấn Với hhd=h –[2eek +(1÷2mm)] Bước 8: Xác đònh số vòng một lớp cho từng bộ dây: SV1LƠP = SVlớp  Bề cao hiệu dụng quấn dây * Hệ số quấn Đường kính kể cả cách điện Hhd * K qd d cđ Kqd=0, 93 0,95,dây... cách điện Nhiệt độ max(0c) Y A E B F H C 90 105 120 130 155 180 180 Theo bảng trên khi sản xuất động cơ từ cấp cách điện B trở đi các vật liêu cách điện dùng trong động cơ phải chòu nhiệt độ cao chỉ cho phép dùng cách điẹân Amian, Thủy Tinh, Verni, Silicol Theo tiêu chuẩn Việt Nam yêu cầu: - Nhiệt độ môi trường xung quanh không quá 40oC - Khoảng biến thiên nhiệt độ không quá 100C trong 8 giờ - Độ ẩm... dày cách điện mỗi lớp được xác đònh như sau:  Bề dày cách điện giữa 2 lớp  Điện áp chênh lệch giữa 2 lớp    14 * , (V)   1000 (mm)   2 * SVlóp (mm) e cđ 2 lớp  14 * , n v * 1000 Bề dày của mỗi bộ dây quấn: e là bề dày cuộn dây ta xác đònh tổng quát như sau:  đường kính dây   bề dây cách    Bề dầy       cuộn dây e   Số lớp(SL) *  có cách điện d    điên mỗi lớp    cđ  . 5 2,4 3 1,4 4 4,9 5,5 2 ,35 2,8 2 3, 5 4 ,3 6 2 ,3 2,8 2,4 3, 3 4 6,5 2,25 2,7 2,8 3, 1 3, 7 7 2,2 2,6 3 3 3, 6 7,5 2,15 2,6 3, 5 2,8 3, 4 8 2,1 2,5 4 2,7 3, 3 9 1,9. CHƯƠNG 3 LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN MÁY BIẾN ÁP I. Nguyên lý làm việc của máy biến áp : Máy biến áp làm nhiệm vụ biến đổi điệp áp. Có hai loại máy biến áp: Máy