1.2 Các đại lượng định mức Máy biến áp có các đại lượng định mức sau: • Dung lượng hay công suất định mức
TỔNG QUAN VỀ MÁY BIẾN ÁP
Khái niệm chung
Định nghĩa: Từ nguyên lý làm việc cơ bản của MBA ta có định nghĩa máy biến áp như sau: máy biến áp là một thiết bị điện từ tĩnh, làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp này thành một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp khác với tần số không thay đổi
Máy biến áp có vai trò rất quan trọng trong hệ thống điện Để truyền tải điện năng từ các trạm phát điện đến các hộ tiêu thụ cần phải có đường dây tải điện, tuy nhiên nếu khoảng cách giữa nơi sản xuất và hộ tiêu thụ là xa thì sẽ đặt ra một vấn đề rất lớn là: Việc truyền tải điện năng đi xa làm sao cho kinh tế mà vẫn đảm bảo được yêu cầu kĩ thuật Và câu trả lời cho vấn đề đó là máy biến áp
Hình 1.1 Sơ đồ truyền tải điện
Theo lý thuyết đã biết, khi truyền tải cùng một công suất trên một đường dây, nếu điện áp được tăng lên thì dòng điện trên đường dây sẽ giảm, giúp giảm kích thước dây và giảm trọng lượng cũng như chi phí cho đường dây Vì vậy, để truyền tải công suất lớn trên khoảng cách xa một cách kinh tế, người ta sử dụng điện áp cao trên đường truyền như 35, 110, 220 và 500 kV để giảm tổn thất và tiết kiệm kim loại đồng trên đường dây
Trong thực tế, các máy phát điện không có khả năng tạo ra điện áp cao như vậy, thường chỉ có thể tạo ra điện áp từ 3 đến 21KV Vì vậy, cần có thiết bị để tăng điện áp lên tại đầu đường dây và giảm điện áp tại các hộ tiêu thụ Thiết bị này được gọi là máy biến áp Trong hệ thống điện lực, để truyền tải và phân phối công suất từ nhà máy điện đến các hộ tiêu thụ, thường cần sử dụng 4-5 máy biến áp để tăng giảm điện áp tại các bước khác nhau Tổng công suất của các máy biến áp trong hệ thống
2 điện lực thường gấp 4-5 lần công suất của trạm phát điện Trong hệ thống điện lực, các máy biến áp được gọi là máy biến áp điện lực hoặc máy biến áp công suất, và chúng chỉ có nhiệm vụ truyền tải hoặc phân phối năng lượng, không có chức năng biến đổi năng lượng
Ngoài ra, để đáp ứng nhu cầu của các ngành chuyên môn, hiện nay có nhiều loại máy biến áp được sử dụng như máy biến áp chuyên dùng cho các lò điện luyện kim, máy biến áp hàn điện, máy biến áp dùng trong thiết bị chỉnh lưu, máy biến áp dùng cho đo lường và thí nghiệm Đồng thời, khuynh hướng phát triển của máy biến áp là thiết kế và chế tạo những máy biến áp có dung lượng lớn, điện áp cao, sử dụng nguyên liệu mới để giảm trọng lượng và kích thước máy Hiện nay, người ta đã sử dụng loại thép cán lạnh có từ tính tốt và tổn hao sắt thấp để tăng hiệu suất cho máy biến áp
Ngành chế tạo máy biến áp tại Việt Nam đã có từ thời kỳ hoà bình và cho đến nay đã có nhiều đóng góp quan trọng vào sự phát triển của nền kinh tế trong nước Chúng ta đã sản xuất được nhiều loại máy biến áp khác nhau với số lượng lớn để phục vụ cho nhiều ngành sản xuất trong nước cũng như xuất khẩu sang nhiều quốc gia khác trên thế giới Các sản phẩm máy biến áp của Việt Nam đạt chất lượng cao và được tin dùng trên thị trường quốc tế.
Các đại lượng định mức
Máy biến áp có các đại lượng định mức sau:
• Dung lượng hay công suất định mức 𝑆 𝑑𝑚 là công suất biểu kiến của MBA đưa ra trên dây quấn thứ cấp của nó ở chế độ làm việc định mức, được tính bằng kVA hoặc VA
• Điện áp dây sơ cấp định mức (U1dm)là điện áp của dây quấn sơ cấp tính bằng kV hay V, nếu dây quấn sơ cấp có các đầu phân nhánh thì người ta ghi cả điện áp định mức của từng đầu phân nhánh
• Điện áp dây thứ cấp định mức U2dm là điện áp dây của dây quấn thứ cấp khi máy biến áp không tải và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức, tính bằng kV hay V
• Dòng điện dây định mức sơ cấp I1dm và thứ cấp I2dm là những dòng điện dây của dây quấn sơ cấp và thứ cấp ứng với công suất và điện áp định mức, tính bằng A hay kA Ta có cách tính dòng điện là: Đối với MBA 1 pha:
• Tần số định mức tính bằng Hz, lưới điện Việt Nam fdm= 50Hz
Ngoài ra trên nhãn máy của MBA nhà sản xuất còn ghi những số liệu khác như: số pha, sơ đồ và tổ nối dây quấn, điện áp ngắn mạch, chế độ làm việc, phương pháp làm lạnh…
Các kết cấu chính của MBA
Máy biến áp thường dùng các phần chính sau: a) Lõi sắt (hay còn gọi là mạch từ)
Mạch từ của MBA được chế tạo từ các lá tôn kỹ thuật điện được các điện với nhau Có hai loại tôn thường được sử dụng là tôn cán nóng và tôn cán lạnh, nhưng đặc điểm chung là đều có độ từ thẩm cao và suất tổn hao thấp Mạch từ được ghép lại từ các lá tôn thay vì được làm thành một khối để tăng điện trở của mạch từ, giảm dòng Fucô Khi có dòng điện xoay chiều chạy trong cuộn dây của MBA sẽ sinh ra một từ trường biến đổi, từ trường này sinh ra trong mạch từ một dòng điện Fucô, dòng Fucô luôn sinh ra từ trường ngược chống lại nguyên nhân gây ra nó, đồng thời năng lượng của dòng Fucô được chuyển hoá thành nhiệt năng khiến máy biến áp nóng lên và gây ra hao phí Người ta ghép mạch từ bằng các lá tôn mỏng được sơn cách điện ở 2 phía dọc theo chiều từ trường, khi đó điện trở chung của lõi thép rất lớn sẽ làm giảm ảnh hưởng của dòng Fucô Vấn đề đặt ra đặt ra là các lá thép cần được ép chặt với nhau để tăng khả năng dẫn từ đồng thời không tạo ra tiếng ồn khi MBA hoạt động
Mạch từ gồm 2 bộ phận chính là trụ và gông Trụ là nơi để lồng dây quấn, gông là phần khép kín mạch từ giữa các trụ và là nơi đỡ dấy quấn Theo sự sắp xếp trụ và gông mà ta có các loại mạch từ: kiểu trụ, kiểu bọc và kiểu trụ - bọc
• Mạch từ kiểu trụ: là loại mạch từ phổ biến hiện nay cho cả máy một pha và ba pha
Là loại mạch từ có cuộn dây ôm lấy trụ, gông nằm trên dưới nhưng không bao bởi dây Loại này thường để trụ đứng
Hình 1.2 Mạch từ kiểu trụ
• Mạch từ kiểu bọc: gông từ bao lấy trên và dưới dây quấn và bao cả mặt bên dây quấn Mạch từ như bọc lấy dây quấn nên gọi là mạch từ kiểu bọc Loại này trụ thường nằm ngang, và loại này thường không cao nên dễ dàng vận chuyển, giảm chiều dài từ dây dẫn đến sứ ra Nhưng chế tạo mạch từ này lại phức tạp do lá tôn có kích thước khác nhau nhiều, dẫn đến loại này không phổ biến
Hình 1.3 Mạch từ kiểu bọc
• Mạch từ kiểu trụ - bọc: là loại trung gian giữa kiểu trụ và kiểu bọc nên gọi là kiểu trụ - bọc, thường được dùng trong các máy biến áp có công suất lớn (trên 100.000 kVA một pha), để giảm bớt chiều cao nên san gông sang hai bên
Hình 1.4 Mạch từ kiểu trụ - bọc
Ngoài ra theo sự sắp xếp không gian giữa trụ và gông có thể phân biệt mạch từ đối xứng và không đối xứng Dựa trên phương pháp ghép trụ và gông cũng có thể phân ra thành hai kiểu: ghép nối và ghép xen kẽ
• Ghép nối là gông và trụ ghép riêng sau đó được đem nối với nhau nhờ xà ép và bu-lông Ghép kiểu này đơn giản như khe hở không khí lớn do không đảm bảo tiếp xúc tại mối ghép, gây ra tổn hao và dòng không tải lớn, nên kiểu này ít được sử dụng
• Ghép xen kẽ là từng lớp lá thép của trụ và gông lần lượt được đặt xen kẽ, sau đó dùng xà ép và bu-lông ép lại Lồng dây bằng cách cho dây quấn đã quấn nêm trên ống cách điện bakelit vào trụ sau đó chèn chặt trụ với ống bằng nêm cách điện, sau cùng xếp các lá thép ở gông Ghép xen kẽ có khe hở không khí ở mối nối nhỏ hơn và kết cấu mạch từ vững chắc hơn do đó được dùng phổ biến hơn b) Dây quấn
Dây quấn máy biến áp là bộ phận dùng để thu năng lượng vào và truyền tải năng lượng đi Dây quấn MBA đước chế tạo từ dây đồng, tròn hoặc dạng chữ nhật có bọc cách điện, ngoài ra ở HA có thể dạng băng đồng, Theo phương pháp bố trí dây quấn trên lõi có thể chia dây quấn thành hai kiểu chính: đồng tâm và xen kẽ
• Dây quấn đồng tâm: dây quấn HA và CA được quấn thành những ống đồng tâm với nhau, chiều cao thường được thiết kế bằng nhau (hoặc CA thấp hơn HA một ít) để tránh sinh ra lực chiều trục lớn Cuộn HA thường được đặt phía trong vì khoảng cách cách điện yêu cầu của dây HA là ngắn hơn so với CA, đặt phía trong sẽ tiết kiệm được vật liệu, cuộn CA đặt phía ngoài còn thuận tiện cho việc lấy các đầu dây dẫn điều chỉnh ra bộ điều chỉnh Dây quấn đồng tâm được dùng phổ biến trong MBA mạch từ kiểu trụ
• Dây quấn xen kẽ: cuộn HA và CA được quấn thành từng bánh có chiều cao thấp và bố trí xen kẽ nhau do đó giảm được lực dọc trục, để giảm lực hướng kính các bánh được thiết kế với đường kính gần bằng nhau Loại dây quấn này có nhiều mối hàn giữa các bánh dây nên ít được sử dụng, nhưng vì có nhiều rãnh dầu ngang tốt cho việc tản nhiệt nên vẫn được dùng trong các MBA lò điện hoặc MBA khô để đảm bảo khả năng tản nhiệt được tốt
Ngoài ra theo cách quấn dây ta có thể chia thành các kiểu:
- Dây quấn xoáy ốc liên tục
- Dây quấn hình ống dây dẫn hcn
- Dây quấn hình ống dây dẫn tròn
- Dây quấn kiểu băng đồng
Dây quấn xoáy ốc liên tục: đây là kiểu dây quấn mà các vòng dây được quấn xoáy ốc thành nhiều bánh theo đường xoáy ốc phẳng, do đó chiều cao bánh dây bằng chiều cao sợi dây Giữa các bánh dây có rãnh dầu ngang, suốt cuộn dây không có mối hàn nào nên được gọi là liên tục Yêu cầu đối với dây quấn này là các đầu dây phải ở phía ngoài cùng bánh dây để tiện cho việc lấy ra, do đó số bánh dây phải là số chẵn Khi chập nhiều sợi phải hoán vị giữa các sợi dây với nhau Dây quấn xoáy ốc liên tục chủ yếu thường được dùng làm cuộn cao áp, điện áp từ 35 kV trở lên và dung lượng lớn
Hình 1.5 Dây quấn xoáy ốc liên tục
Dây quấn hình xoắn: có thể hình dung như một chiếc lò xo, gồm một hay nhiều sợi chập lại quấn theo chiều trục như đường ren ốc Các vòng dây của dây quấn cách nhau một khoảng để tạo rãnh dầu ngang trục, khoảng cách này được ấn định nhờ các tấm đệm cách điện đặt trên các thanh khuôn khi quấn Dây quấn loại này có số vòng ít,
7 tiến diện lớn nên thường dùng làm dây quấn hạ áp của máy trung bình và lớn Ưu điểm chịu lực cơ học tốt, tản nhiệt tốt
Hình 1.6 Dây quấn hình xoắn
Dây quấn hình ống dây dẫn hcn: loại dây này có thể quấn từ 1 sợi đơn, hoặc quấn chập từ nhiều sợi Các sợi chập có thể được quấn theo chiều cạnh bé hoặc cạnh lớn, thậm chí các sợi chập có thể có kích thước khác nhau (tiết diện sấp xỉ nhau) nhưng phải đảm bảo đường bao của tiết diện vòng dây là hình chữ nhật Thông thường dây quấn hình dây dẫn hcn chỉ quấn được 2 lớp, giữa các lớp có các thanh nêm để tạo rãnh dầu dọc trục Dây quấn kiểu này có ít vòng, tiết diện lớn nên thường dùng làm dây hạ áp
Hình 1.7 Dây quấn hình ống dây dẫn hcn
Dây quấn hình ống dây dẫn tròn: là kiểu dây quấn có thể quấn được nhiều lớp, dây có tiết nhỏ do đó thích hợp với các mba có điện áp cao, dòng điện không lớn Và do điện áp giữa các lớp cao nên chia ra các bánh theo chiều cao đểm giảm điện áp vòng dây và tăng cường tản nhiệt
Hình 1.8 Dây quấn hình ống dây dẫn tròn
Dây quấn kiểu bằng đồng: là một biến thể của dây quấn hình ống, loại này được quấn từ các lá đồng mỏng không bọc cách điện nhưng có cách điện giữa các lớp Mỗi lớp là 1 vòng, chiều rộng băng đồng dùng bằng chiều cao dây quấn Dây quấn kiểu này tản nhiệt tốt hơn so với kiểu dây dẫn vì không bọc cách điện, lắp đầy cửa sổ mạch từ tốt hơn c) Hệ thống làm lạnh và vỏ máy
Nguyên lý làm việc
Xét máy biến áp 1 pha ở chế độ không tải, tức là hở mạch thứ cấp, dây sơ cấp nối với điện áp xoay chiều hình sin, dòng điện chạy qua dấy quấn sẽ tạo nên từ trường xoay trong mạch từ Do hệ số dẫn từ của lõi thép lớn hơn nhiều so với hệ số dẫn từ của các vật liệu phi tuyến (không khí, dầu máy…) nên ta coi như từ thông dây sơ cấp và thứ cấp là bằng nhau, khi đó ở mỗi dây quấn sẽ sinh ra sức điện động cảm ứng:
- 𝑒 1 và 𝑒 2 là giá trị tức thời của s.đ.đ
- Φ là giá trị tức thời của từ thông trong lõi thép
- 𝑁 1 và 𝑁 2 là số vòng dây tương ứng Điện áp sơ cấp bằng s.đ.đ 𝑒 1 cộng với điện áp rơi do dòng điện từ hóa sinh ra ở tổng trở dây quấn Dòng từ hóa không phải hình sin, khá nhỏ so với dòng định mức, do đó độ giảm điện áp ứng với dòng điện từ hóa là rất nhỏ, có thể bỏ qua
Vậy điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp bằng s.đ.đ ở dây quấn sơ cấp, hay có thể nói sự biến thiên của s.đ.đ 𝑒 1 giống sự biến thiên của điện áp 𝑢 1 Với điện áp 𝑢 1 biến thiên theo quy luật hình sin, ta có thể viết biểu thức s.đ.đ như sau:
𝑒 1 = √2𝐸 1 sin(𝜔𝑡) Thay vào biểu thức trên ta có
Vậy khi điện áp đặt vào cuộn sơ cấp là điện áp xoay chiều hình sin thì từ thông trong lõi thép cũng biến thiên theo quy luật hình sin và sớm pha hơn s.đ.đ một góc 𝜋 2⁄ Giá trị cực đại của từ thông là: Φ 𝑚 = 1
Từ đó ta có biểu thức s.đ.đ ở dây sơ cấp là
Và tương tự ta có
𝐸 2 = 4,44 𝑓 𝑁 2 Φ 𝑚 Dựa vào các biểu thức trên, người ta định nghĩa tỷ số biến đổ của máy biến áp như sau:
Và không kể điện áp rơi trên các dây quấn, có thể coi 𝑈 1 ≈ 𝐸 1 𝑈 2 ≈ 𝐸 2 , do đó k được xem như là tỷ số điện áp:
Trình tự thiết kế
Để đảm bảo về tính toán hợp lý tốn ít thời gian việc thiết kế máy biến áp sẽ lần lượt tiến hành theo thứ tự
- Xác định các đại lượng cơ bản
• Tính dòng điện pha, điện áp pha của dây quấn
• Xác định điện áp thử của các dây quấn
• Xác định các thành phần của được ngắn mạch
- Tính toán các kích thước chủ yếu
• Chọn sơ đồ và kết cấu lõi sắt
• Chọn loại và mã hiệu tôn silic cách điện của chúng Chọn cường độ từ cảm lõi sắt
• Chọn kết cấu và xác định các khoảng cách điện chút củ cuộn dây
• Tính toán sơ bộ máy biến áp chọn quan hệ của kích thước chủ yếu theo trị số i0, P0, On, Pn đã cho
• Chọn đường kính trụ, tính toán sơ bộ chiều cao dây quấn, tính toán sơ bộ lõi sắt
- Tính toán dây quấn CA và HA
• Chọn dây quấn CA và HA
• Xác định tổn hao ngắn mạch
• Tính toán điện áp ngắn mạch
• Tính lực cơ bản của dây quấn khi máy biến áp bị ngắn mạch
- Tính toán cuối cùng về hệ thống mạch từ và tham số không tải của máy biến áp
• Xác định kích thước cụ thể của lõi sắt
• Xác định tổn hao không tải
• Xác định dòng điện không tải và hiệu suất
- Tính toán nhiệt và hệ thống làm nguội máy biến áp
• Quá trình truyền nhiệt trong máy biến áp
• Khái niệm hệ thống làm nguội máy biến áp
• Tiêu chuẩn về nhiệt độ chênh
• Tính toán nhiệt máy biến áp
• Tính toán gần đúng trọng lượng
- Tính toán và lựa chọn một số chỉ tiêu kết cấu
Phần này có trình bày cách tính và chọn một số chi tiết kết cấu quan trọng như bulong ép gông và một số đai ép trục, gông, vách nắp đáy thùng, bình dầu giãn nở, bộ phận tản nhiệt…
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY BIẾN ÁP
Nhiệm vụ thiết kế
Thiết kế máy biết điện lực 3 pha hai dây quấn ngâm dầu với các số liệu như sau: + Tổng dung lượng 𝑆 𝑑𝑚 = 1250 𝑘𝑉𝐴
+ Sơ đồ và tổ nối dây quấn 𝑌 𝑌⁄ 𝑛 − 0
Tính toán các kích thước chủ yếu
2.2.1 Xác định các đại lượng điện cơ bản
3 = 416,7 𝑘𝑉𝐴 Dung lượng trên mỗi trụ
2 Dòng điện dây định mức
3 Dòng điện pha định mức:
Vì dây quấn nối Y/Y nên:
4 Điện áp pha định mức
5 Điện áp thử của các dây quấn Để xác định khoảng cách cách điện giữa các dây quấn và giữa các phần khác của máy biến áp thì ta phải biết được điện áp thử của chúng, tra bảng 2 tài liệu [1] ta được: Với dây quấn CA: 𝑈 𝑡ℎ2 = 85 𝑘𝑉
2.2.2 Chọn các số liệu xuất phát và tính các kích thước chủ yếu
Hình 2.1 Các số liệu xuất phát
1 Chiều rộng quy đổi của rãnh từ tản giữa dây quấn CA và HA:
Với 𝑈 𝑡ℎ2 = 85 𝑘𝑉, theo bảng 19 tài liệu [1] ta có:
Trong rãnh 𝑎 12 = 27 𝑚𝑚 đặt ống cách điện dày 𝛿 12 = 5 𝑚𝑚
3 = 𝑘 √𝑆′ 4 10 −2 = 0,51 √416,7 4 10 −2 = 0,023 𝑚 Chiều rộng quy đổi từ trường tản:
2 Chọn hệ số quy đổi từ trường tản, tài liệu [1]:
3 Các thành phần điện áp ngắn mạch:
4 Ta chọn tôn cán lạnh mã hiệu NV30S-120 có chiều dày 0,3 mm
Ta chọn từ cảm trong trụ 𝐵 𝑡 = 1,6 𝑇; hệ số 𝑘 𝑔 = 1,015
Theo bảng 6 tài liệu [1] ta chọn ép trụ bằng nêm với dây quấn, ép gông bằng xà ép
Sử dụng lõi thép có 4 mối ghép xiên ở 4 góc của lõi còn 3 mối nối giữa mối ghép thẳng lá tôn
Hình 2.2 Thứ tự ghép lõi thép
Theo bảng 4[1] chọn số bậc thang trong trụ là 8, số bậc thang của gông lấy nhỏ hơn trụ 2 bậc, tức gông là 7 bậc
Hệ số chêm kín 𝑘 𝑐 = 0,928 (bảng 4[1])
Hệ số điền đầy rãnh 𝑘 đ = 0,95 (bảng 10[1])
Hệ số lợi dụng lõi sắt 𝑘 𝑙𝑑 = 𝑘 𝑐 𝑘 đ = 0,928.0,95 = 0,88
Từ cảm ở khe hở không khí mối nối thẳng:
Từ cảm ở khe hở không khí mối nối xiên:
√2 = 1,131 𝑇 Suất tổn hao sắt ở trụ và gông của chất liệu như sau:
Suất từ hóa trong trụ và gông của chất liệu như sau
Suất từ hóa ở khe không khí nối thẳng:
𝑝′′ 𝑘 = 19630 𝑉𝐴/𝑚 2 Suất từ hóa ở khe hở không khí nối xiên:
5 Tra bảng 18, 19 tài liệu [1] ta được các khoảng cách cách điện chính, chọn theo
Trụ và dây quấn HA: 𝑎 01 = 15 𝑚𝑚
Dây quấn HA và CA 𝑎 12 = 27 𝑚𝑚 Ống cách điện giữa CA và HA 𝛿 12 = 5 𝑚𝑚
Giữa các dây quấn CA 𝑎 22 = 30 𝑚𝑚
Tấm chắn giữa các pha 𝛿 22 = 3 𝑚𝑚
Giữa dây quấn CA đến gông 𝑙′ 0 = 75 𝑚𝑚
Phần đầu thừa của ống cách điện: 𝑙 đ2 = 50 𝑚𝑚
6 Các hằng số tính toán a, b gần đúng có thể lấy: a=1,4 b=0,3 (bảng 13 và 14 tài liệu [1])
Trong thiết kế người ta dùng hệ số 𝛽 để chỉ quan hệ giữa chiều rộng và chiều cao của máy
Sự lựa chọn hệ số 𝛽 không những ảnh hưởng đến mối tương quan khối lượng vật liệu thép, dây đồng mà còn ảnh hưởng đến các thông số kỹ thuật như: Tổn hao không tải, tổn hao ngắn mạch…
Về mặt kinh tế: Nếu máy biến áp có cùng công suất, điện áp, các số liệu xuất phát, và các tham số kỹ thuật thì khi 𝛽 nhỏ, máy biến áp “gầy” và cao, nếu 𝛽 lớn thì máy biến áp “ béo” và thấp với những trị số khác nhau thì tỷ lệ trọng lượng sắt và trọng lượng đồng trong máy biến áp cũng khác nhau 𝛽 nhỏ trọng lượng sắt ít, lượng đồng nhiều, 𝛽 tăng lên thì lượng sắt tăng lên, lượng đồng nhỏ lại
Ta phải tìm 𝛽 tối ưu, nghĩa là có được những đặc tính của máy biến áp yêu cầu thiết kế, giá thành nhỏ nhất, vận hành kinh tế nhất
Ta có biểu thức đường kính d=𝐴 𝑥
Trong đó A là một hằng số
Nhưng để xác định 𝛽 chính xác hơn ta phải tính các số liệu và các đặc tính cơ bản của máy biến áp
Ta tính các hệ số A, A1, A2, B1, B2, C1
(MBA có công suất ≥1000kVA chọn e=0,41)
Trọng lượng một “góc” của lõi thép:
𝐺 0 = 0,492 10 4 𝑘 𝑔 𝑘 𝑙𝑑 𝐴 3 𝑥 3 = 0,492 10 4 1,015.0,88 0,218 3 𝑥 3 = 48,81𝑥 3 Tiết diện trụ tính sơ bộ theo:
𝑇 𝑡 = 0,785 𝑘 𝑙𝑑 𝐴 2 𝑥 2 = 0,785.0,88 0,218 2 𝑥 2 = 0,033𝑥 2 Diện tích khe hở ở mối nối thẳng
Diện tích khe hở ở mối nối nghiêng
𝐺 𝑔 = 𝐵 1 𝑥 3 + 𝐵 2 𝑥 2 Trọng lượng tác dụng của lõi sắt
𝐺 𝐹𝑒 = 𝐺 𝑡 + 𝐺 𝑔 Trọng lượng kim loại của dây quấn
𝑥 2 Theo CT 2-59 tài liệu [1] giá thành vật liệu tác dụng của m.b.a là:
Có thể tính sơ bộ tổn hao không tải như sau:
𝑘 𝑝𝑓 = 1,13 là hệ số tổn hao phụ tra trong bảng 48 [1]
𝑘 𝑝0 = 10,45 là hệ số gia tăng tổn hao ở các góc nối của mạch từ, bảng 47[1]
Công suất từ hóa có thể tính sơ bộ như sau:
𝑘 ′ 𝑖𝑓 = 1,2 là hệ số đối với tôn có ủ sau khi cắt dập
𝑘 ′ ′ 𝑖𝑓 = 1,07 đối với gông có tiết diện nhiều bậc, mba công suất từ 1000-6300 kVA
𝑘 𝑖0 = 42,45 hệ số gia tăng dòng điện không tải do công suất từ hóa tăng lên (bảng 53[1])
𝑘 𝑖𝑟 = 1,25 hệ số kể đến ảnh hưởng do chiều rộng lá tôn ở các góc mạnh từ (bảng 52b [1])
Số khe hở không khí trong lõi thép 4 mối chéo và 3 mối thẳng
Tiếp tục tính toán được các số liệu trên, ghi trong bảng với trị số 𝛽 trong phạm vi 1,4 đến 2,4 ta được:
Bảng 2.1 Bảng tính sơ bộ các đại lượng theo β
Hình 2.3 Quan hệ giữa tổn hao không tải 𝑃 𝑜 và 𝛽
Hình 2.4 Quan hệ giữa giá thành vật liệu tác dụng 𝐶′ 𝑡𝑑 và 𝛽
C’td min tại giá trị 𝛽 = 1,91 để C’td không quá C’td min 1% thì 𝛽 chạy từ 1,8 đến 2,0
Chọn đường kính tiêu chuẩn gần nhất 𝑑 𝑑𝑚 = 0,26 𝑚
9, Đường kính trung bình của rãnh dầu sơ bộ:
10, Chiều cao dây quấn sơ bộ:
11 Tiết diện hữu hiệu của trụ sắt (thuần sắt):
Trong đó 𝑇 𝑏 = 490,6 𝑐𝑚 2 theo bảng 42b tài liệu [1]
Tính toán dây quấn
1 Sức điện động của 1 vòng dây
2 Số vòng dây một pha của dây quấn HA:
3 Mật độ dòng điện trung bình:
4 Tiết diện vòng dây sơ bộ:
5 Chọn kết cấu dây quấn hạ áp
Với đề tài thiết kế này, em chọn chọn dây hạ áp quấn theo kiểu băng đồng, được sử dụng phổ biến hiện nay với ưu điểm tản nhiệt tốt, lấp đầy cửa sổ mạch từ tốt làm giảm tổn hao ngắn mạch Chọn bố trí dây quấn HA như sau:
- Chiều cao băng đồng chọn theo chiều cao sơ bộ 𝐿 1 = 0,58𝑚; quấn 14 vòng thành hình ống
- Chọn giấy cách điện dày n=0,25mm; quấn đều lên bề mặt mỗi lớp băng đồng
- Chọn số lớp ống thông dầu là 4 lớp, sau các lớp 4, 8, 12; độ dày mỗi lớp s=4mm
6 Độ dày băng đồng là
7 Độ dày một vòng dây của băng đồng
8 Độ dày của HA không tính thông dầu:
9 Độ dày của các lớp ống thông dầu
10 Đường kính trong của dây quấn HA
11 Đường kính ngoài của dây quấn HA
12 Do đó tiết diện mỗi vòng dây
13 Mật độ dòng điện thực dây quấn hạ áp:
14 Trọng lượng đồng dây quấn HA:
Theo bảng 24[1], cần phải tăng trọng lượng dây dẫn (do cách điện) lên 2% nên trọng lượng của dây dẫn là:
1 Chọn sơ đồ điều chỉnh điện áp
Hình 2.5 Sơ đồ điều chỉnh điện áp
24 Điện áp lớn nhất giữa của hai pha của bộ đổi nối là: Điện áp làm việc 𝑈 𝑙𝑣 : 10%(𝑈 2 ⁄√3) = 2020,7 𝑉 Điện áp thử 𝑈 𝑡ℎ : 2.10%(𝑈 2 ⁄√3) = 4041,5 𝑉 Để có được những điện áp khác nhau bên CA cần phải nối như sau
Bảng 2.2 Các mức điều chỉnh điện áp Điện áp Các cực của dây quấn
2 Số vòng dây của cuộn CA ứng với điện áp định mức:
3 Số vòng dây cuộc CA ở một cấp điều chỉnh:
4 Số vòng dây tương ứng trên các đầu phân nhánh:
5 Mật độ dòng điện dây CA sơ bộ
6 Sơ bộ tính tiết diện vòng dây:
7 Chọn kết cấu dây cao áp
Theo bảng 38[1], ta chọn kết cấu dây quấn kiểu bánh dây xoắn ốc liên tục
Theo bảng 21[1], chọn dây chữ nhật mã hiệu IIB có qui cách như sau:
𝑇 𝑑2 = 5,39 10 −6 𝑚 2 Hai bánh dây trên và hai bánh dây dưới của mỗi pha tăng cường cách điện 1,5mm; do đó có kích thước kể cả cách điện là 2,9 x 5,5 mm (xem bảng 29[1])
8 Mật độ dòng điện thực:
9 Số bánh dây trên một trụ của dây quấn CA
Rãnh dầu ngang giữa các bánh ℎ 𝑟 = 5,5 𝑚𝑚
Hai bánh trên dưới có rãnh dầu ℎ 𝑡𝑑 = 7,5 𝑚𝑚
Rãnh điều chỉnh giữa dây quấn ℎ đ𝑐 = 12 𝑚𝑚
Suy ra số bánh dây:
10 Số vòng dây trong một bánh
𝑎 2 = 𝑎 ′ 𝑤 𝑏2 = 1,9.23 = 43,7 𝑚𝑚 Sắp xếp lại số vòng dây ở tất cả các bánh dây như sau:
46 bánh chính (kí hiệu B) mỗi bánh 22 vòng: 1058 vòng
8 bánh điều chỉnh (kí hiệu C) mỗi bánh 20 vòng: 160
4 bánh cách điện tăng cường (kí hiệu D) mỗi bánh 17 vòng: 68
13 Đường kính trong của dây quấn CA
14 Đường kính ngoài của dây quấn CA
15 Trọng lượng đồng dây quấn CA:
16 Trọng lượng dây dẫn CA kể cả cách điện
𝐺 𝑑𝑑2 = 1,035 𝐺 𝐶𝑢2 = 269,8 𝑘𝑔 Toàn bộ trọng lượng dây dẫn (kể cả cách điện) của dây quấn HA và CA:
Bảng 2.3 Thông số dây quấn hạ áp và cao áp
Kiểu dây quấn Kiểu băng đồng Xoắn ốc liện tục
Chiều cao 𝐿 1 = 0,58 𝑚 𝐿 2 = 0,58 𝑚 Đường kính trong 𝐷′ 1 = 0,29 𝑚 𝐷′ 2 = 0,40 𝑚 Đường kính ngoài 𝐷′′ 1 = 0,35 𝑚 𝐷′′ 2 = 0,49 𝑚
Tính toán các tham số ngắn mạch
- Trong dây quấn HA: Với dây quấn kiểu băng đồng sự phân bố tiết diện dây là đều hơn, nên có thể coi hệ số 𝑘 𝑓1 = 1,0
3 Tổn hao trong dây dẫn ra:
+) Đối với dây quấn HA: Chọn 2 thanh đồng làm dây dẫn ra, kích thước 80x10mm Chiều dài dây dẫn ra:
Ta có điện trở suất của đồng 𝜌 = 0,0214 𝜇Ω𝑚
Tỷ trọng dây dẫn đồng 𝛾 𝑐𝑢 = 8900 𝑘𝑔/𝑚 3
Tổn hao trong dây dẫn ra HA:
= 757,57 𝑊 +) Đối với dây quấn CA
Chiều dài dây dẫn ra:
𝑙 𝑟2 = 7,5 𝑙 2 = 7,5.0,58 = 4,35 𝑚 Trọng lượng dây dẫn ra CA:
𝐺 𝑟2 = 𝑙 𝑟2 𝑇 𝑟2 𝛾 𝑐𝑢 = 4,35.5,39 10 −6 8900 = 0,209 𝑘𝑔 Tổn hao trong dây dẫn ra CA:
4 Tổn hao trong vách thùng dầu và các chi tiết kết cấu (4-21)
6 Tổn hao ngắn mạch toàn phần
= 15907,36 𝑊 [Khi điện áp dây quấn CA định mức:
𝑃 𝑛𝑑𝑚 = 𝑃 𝑛 − 0,05𝑃 𝑐𝑢2 𝑘 𝑓2 = 15448,09 𝑊 Vậy so sánh số với số liệu đã cho có sai lệch là:
2 Thần phần phản kháng theo 4-26:
𝑙 - 𝑙 𝑥 ứng với điều kiện mba làm việc ở điện áp định mức nên
3 Điện áp ngắn mạch toàn phần:
Sai lệch lớn hơn so với tiêu chuẩn:
2.4.3 Tính toán lực cơ học khi ngắn mạch
Khi máy biến áp bị sự cố ngắn mạch thì dòng điện ngắn mạch sẽ rất lớn Nhưng vấn đề nhiệt đối với máy biến áp ko quan trọng lắm, vì nếu bố trí thiết bị bảo vệ tốt, máy ngắt tự động sẽ cắt phần sự cố ra khỏi lưới điện, do đó vấn đề còn lại chủ yếu là lực cơ học gây nên tác dụng nguy hểm đối với dây quấn máy biến áp Bởi vậy để đảm bảo cho máy biến áp làm việc an toàn, khi thiết kế phải xét đến những lực cơ học tác dụng lên dây quấn khi ngắn mạch xem độ bền của dây quấn máy biến áp có đủ hay không Do vậy:
• Phải xác định trị số cực đại của dòng điện ngắn mạch
• Xác định lực cơ học giữa các dây quấn
• Tính ứng suất cơ của đệm cách điện giữa các dây quấn và bản thân dây quấn
1 Dòng điện ngắn mạch xác lập
2 Dòng điện ngắn mạch cực đại tức thời:
Khi hai dây quấn cùng chiều cao và các vòng dây phân bố đều trên toàn chiều cao
Từ trường tản gồm có hai thành phần dọc trục với từ cảm B và thành phần ngang trục với từ cảm B’, ứng với mỗi từ trường tản thì sẽ có lực tác dụng tương ứng
Từ trường tản B tác dụng với dòng điện gây nên lực hướng kính Fr, có thể tính như sau:
4 Ứng suất nén trong dây quấn HA là
2 𝜋 522 10 −6 14= 21,01 MPa Tương tự, ứng suất nén hoặc kéo trong dây quấn CA:
2 𝜋 5,39 10 −6 1225 = 23,25 MPa Nhận xét: Ứng suất nén < 30MPa là đạt
Sự sắp xếp các dây quấn HA và CA thì m=4
6 Lực nén chiều trục cực đại trong các dây quấn:
Từ đó nhận thấy lực nén chiều trục lớn nhất tác dụng lên chính giữa dây quấn HA, tại đó 𝐹 𝑛1 = 105791 𝑁
7 Ứng suất nén lên các tấm đệm cách điện giữa các bánh dây:
8.0,06.0,05= 4,41 𝑀𝑃𝑎 Trong dó theo bảng 30 ta chọn miếng đệm n=8
Với kích thước các miếng đệm là a x b = 0,05 x 0,06 m
Nhận xét: Thấp hơn trị số ứng nén cho phép: 18-40 MPa Vậy 𝜎 𝑛 đạt tiêu chuẩn qui định
2.5 Tính toán cuối cùng về hệ thống mạch từ
Sau khi xác định kích thước và trọng lượng dây quấn sao cho các thông số về
𝑢 𝑛 , 𝑃 𝑛 đạt yêu cầu ta sẽ tính toán cuối cùng về hệ thống mạch từ, nhằm xác định các kích thước cụ thể của bậc thang trụ sắt, sau đó tính toán dòng không tải, tổn hao không tải và cuối cùng là hiệu suất của máy biến áp
1 Xác định kích thước cụ thể của lõi sắt
Ta chọn kết cấu lõi thép kiểu 3 pha 3 trụ, lá thép ghép xen kẽ làm bằng tôn cán lạnh NV30S-120 dày 0,3 mm có 4 mối nối nghiêng ở 4 góc Trụ ép bằng đai vải thủy tinh, không có tấm sắt đệm Gông ép bằng xà ép gông Kích thước các tập lá thép như sau:
Bảng 2.4 Kích thước các tập lá thép
Thứ tự tập Trụ Gông
Hình 2.6 Kích thước tập lá thép trụ và gông
2 Tổng chiều dày các là thép của tiết diện trụ:
3 Toàn bộ tiết diện bậc thang của trụ (bảng 42b):
4 Tiết diện bậc thang của gông:
5 Thể tích một góc của mạch từ:
6 Tiết diện hữu hiệu (thuần sắt) của trụ:
7 Thể tích thuần sắt một góc của mạch từ:
9 Khoảng cách giữa hai tâm trụ:
10 Trọng lượng sắt một góc theo:
13 Trọng lượng sắt toàn bộ của trụ và gông:
2.6 Tính tổn hao và dòng điện không tải
Khi cấp điện áp xoay chiều định mức có tần số định mức vào cuộn dây sơ cấp và cuộn dây khác để hở mạch gọi là chế độ không tải
Trong máy biến áp, tổn hao không tải bao gồm có tổn hao trong lá thép, tổn hao đồng trong dây quấn do dòng không tải sinh ra, tổn hao do dòng điện rò trong các chất cách điện có trong máy biến áp Trong đó tổn hao đồng lúc không tải ở dây quấn rất nhỏ nên ta có thể bỏ qua
Như vậy, ta xem tổn hao không tải gồm hai thành phần:
• Tổn hao trong trụ sắt
• Tổn hao trong mạch từ
1 Lõi thép làm bằng tôn cán lạnh NV30S-120, dày 0,3 mm do đó trị số tự cảm tromg trụ sắt và trong gông là:
Tiết diện khe không khí ở mối nối thẳng bằng tiết diện trụ hoặc gông Tiết diện khe không khí ở mối nối nghiêng bằng:
𝑇 𝑛 = √2𝑇 𝑡 = √2 0,04655 = 0,066 𝑚 2 Trị số từ cảm trong khe hở không khí mối nối nghiêng:
2 Với thép NV30S-120, dày 0,3 mm, ta tra được các suất tổn hao sắt tương ứng: Với 𝐵 𝑡 = 1,596 𝑇 𝑝 𝑡 = 0,92 𝑊 𝑘𝑔⁄ 𝑝 𝑘𝑡 = 754 𝑊/𝑚 2
3 Theo (5-22) tài liệu [1], tổn hao không tải:
2 𝐺 𝑜 𝑘 𝑝𝑜 + ∑ 𝑝 𝑘 𝑛 𝑘 𝑇 𝑘 ]𝑘 𝑝𝑔 𝑘 𝑝𝑒 𝑘 𝑝𝑡 Đối với mạch từ phẳng, nối nghiêng ở 4 góc, trụ giữa nối thẳng, lõi sắt không đột lỗ, tôn có ủ sau khi cắt, có khử bavia, ta tìm được
Hệ số tổn hao do cắt dập lá tôn có ủ: 𝑘 𝑝𝑐 = 1,00
Hệ số tổn hao do gấp méo hay khử bavia: 𝑘 𝑝𝑏 = 1,00
Hệ số gia tăng tổn hao ở gông: 𝑘 𝑝𝑔 = 1,00
Hệ số gia tăng tổn hao công suất: 𝑘 𝑝𝑒 = 1,03
Hệ số tổn hao do tháo lắp gông: 𝑘 𝑝𝑡 = 1,04
Hệ số tổn hao phụ các mối nối mạch từ 𝑘 𝑝𝑜 = 10,45
= 2125 𝑊 Sai lệch so với tiêu chuẩn là:
4 Với thép NV30S-120, ta tìm được suất từ hóa:
5 Công suất từ hóa không tải:
2 𝐺 𝑜 𝑘 𝑖𝑜 𝑘 𝑖𝑟 + ∑ 𝑞 𝑘 𝑛 𝑘 𝑇 𝑘 ]𝑘 𝑖𝑔 𝑘 𝑖𝑒 𝑘 𝑖𝑡 Đối với kết cấu lõi thép và công nghệ chế tạo mạch từ có ủ lá tôn sau khi cắt dập ta tìm được:
Hệ số làm tăng công suất từ hóa ở gông: 𝑘 𝑖𝑔 = 1,00
Hệ số ảnh hưởng của việc cắt gọt bavia: 𝑘 𝑖𝑏 = 1,00
Hệ số ảnh hưởng của việc cắt dập lá thép: 𝑘 𝑖𝑐 = 1,18
Hệ số ảnh hưởng của việc ép mạch từ để đai: 𝑘 𝑖𝑒 = 1,06
Hệ số tăng công suất từ hóa do việc tháo lắp gông trên 𝑘 𝑖𝑡 = 1,05
Hệ số ảnh hưởng của chiều rộng lá tôn ở các góc mạch từ 𝑘 𝑖𝑟 = 1,35
6 Thành phần phản kháng của dòng điện không tải:
7 Thành phần tác dụng của dòng điện không tải:
8 Dòng điện không tải toàn phần:
Trị số dòng điện không tải của dây quấn HA tương ứng là:
9 Hiệu suất của mba khi tải định mức:
Tính toán nhiệt là tính toán về nhiệt ở trạng thái xác lập nghĩa là khi máy biến áp làm việc ở tải định mức, ở trạng thái xác lập này toàn bộ nhiệt lượng do dây quấn và lõi sắt phát ra xung đều khuếch tán ra xung quanh
Nói chung tính toán nhiệt của máy biến áp gồm các phần sau đây:
• Tính chọn nhiệt độ chênh qua từng phần
• Chọn kích thước thùng dầu bảo đảm toả nhiệt tốt nghĩa là làm sao nhiệt độ dây quấn lõi sắt dầu không quá mức quy định
• Kiểm tra nhiệt độ chênh của dây quấn, lõi sắt và dầu đối với không khí
2.7.1 Tính toán nhiệt của dây quấn
1 Nhiệt độ chênh trong lòng dây quấn với mặt ngoài của nó
+ kiểu dây quấn băng đồng, có độ dày 𝛿 = 0,9 𝑚𝑚
+ bề dày lớp cách điện 𝑛 = 0,25 𝑚𝑚
+ bề dày mỗi lớp ống thông dầu 𝑠 = 4 𝑚𝑚
+ mỗi ống thông dầu rộng 𝑟 = 5 𝑚𝑚 đặt cách nhau 𝑐 = 15 𝑚𝑚
+ ống thông dầu được đặt sau các lớp thứ 4, 8, 12
+ đường kính trong và đường kính ngoài hạ áp: 𝐷′ 1 = 0,29𝑚 𝐷′′ 1 = 0,35𝑚
• Bề mặt làm lạnh lớp trong cùng và ngoài cùng:
Sau lớp thứ 4 dây gồm 3 lớp băng đồng kèm 3 lớp cách điện và lớp cách điện của ống thông dầu nên ta có đường kính sau lớp thứ 4 là:
Số ống thông dầu sau lớp thứ 4:
• Bề mặt làm lạnh sau lớp thứ 4:
Sau lớp thứ 8 dây gồm 8 lớp băng đồng kèm 8 lớp cách điện và 2 lớp cách điện của lớp ống thông dầu thứ 1 và thứ 2; 1 lớp ống thông dầu nên ta có đường kính sau lớp thứ 8:
Số ống thông dầu sau lớp thứ 8:
• Bề mặt làm lạnh sau lớp thứ 8:
Sau lớp thứ 12 dây gồm 12 lớp băng đồng kèm 12 lớp cách điện và 3 lớp cách điện của lớp ống thông dầu 1, 2, 3; 2 lớp ống thông dầu nên ta có đường kính sau lớp thứ
Số ống thông dầu sau lớp thứ 12:
• Bề mặt làm lạnh sau lớp thứ 12:
Tổng bề mặt làm lạnh của dây HA là:
𝑀 1 = 𝑀 0 + 𝑀 4 + 𝑀 8 + 𝑀 12 = 2,333 + 0,828 + 0,873 + 0,92 = 4,954 𝑚 2 Mật độ dòng nhiệt trên bề mặt dây quấn HA:
4,954 = 1289 𝑊/𝑚 2 Nhiệt độ chênh trong lòng dây quấn HA với mặt ngoài của nó là:
𝜕 là chiều dày cách điện một phía của dây dẫn, 𝜕 = 0,25 10 −3 𝑚;
𝜆 𝑐𝑑 = 0,17 𝑊/(𝑚 ℃) là suất dẫn nhiệt của lớp cách điện, tra ở bảng 54[1]
Nhiệt độ chênh trong lòng dây quấn CA với mặt ngoài của nó là:
2 Nhiệt độ chênh giữa mặt ngoài dây quấn đối với dầu:
𝑘 1 = 1,0 hệ số kể đến tốc độ chuyển động của dầu trong dây quấn
𝑘 2 = 1,0 hệ số tính đến TH dây HA ở trong nên dầu đối lưu khó khăn làm dây HA nóng lên
3 Nhiệt độ chênh trung bình của dây quấn đối với dầu:
2.7.2 Tính toán nhiệt của thùng
Thùng dầu đồng thời là vỏ máy của máy biến áp, trên đó có đặt các chi tiết máy rất quan trọng như sứ ra của các dây quấn cao áp và hạ áp, ống phòng nổ, bình giãn dầu… vì vậy thùng dầu ngoài yêu cầu phải tản nhiệt tốt còn phải bảo đảm các tính năng về điện (như bảo đảm khoảng cách cho phép giữa dây quấn với vách thùng), có độ bền cơ học đảm bảo, chế tạo lại đơn giản và có khả năng rút gọn được kích thước bên ngoài
1 Với công suất 𝑆 = 1250𝑘𝑉𝐴 ta chọn loại thùng có bộ tản nhiệt kiểu cánh sóng
2 Chọn các kích thước tối thiểu bên trong thùng
- Các khoảng cách cách điện từ dây dẫn ra đến vách thùng, đến xà ép gông trên được xác định như sau: Độ dày dây dẫn ra HA đã chọn 𝑑 1 = 10 𝑚𝑚 Đường kính dây dẫn ra CA 𝑑 2 = 10 𝑚𝑚
Khoảng cách từ dây dẫn ra CA đến chính dây quấn đó 𝑠 1 = 50 𝑚𝑚
Khoảng cách từ dây dẫn ra CA đến vách thùng 𝑠 2 = 50 𝑚𝑚
Khoảng cách từ dây dẫn ra HA đến dây quấn CA 𝑠 3 = 30 𝑚𝑚
Khoảng cách từ dây dẫn ra HA đến vách thùng 𝑠 4 = 30 𝑚𝑚
Khoảng cách từ dây dẫn CA đến vách thùng 𝑠 5 = 90 𝑚𝑚
Hình 2.7 Kích thước của thùng
- Chiều rộng tối thiểu của thùng:
= 0,49 + (50 + 50 + 10 + 30 + 30 + 10) 10 −3 = 0,67 𝑚 Để tâm trụ mba ở giữa ta lấy 𝐵 = 0,8 𝑚
- Chiều dài tối thiểu thùng dầu:
Chiều dày tấm đệm dưới 𝑛 = 0,05 𝑚
- Khoảng cách từ gông trên đến nắp thùng theo bảng 58[1] khi bộ điều chỉnh điện áp đặt nằm ngang giữa gông trên và nắp thùng ta lấy:
3 Tính sơ bộ diện tích bề mặt bức xạ của thùng dầu
- Diện tích bề mặt bức xạ của thùng dầu sơ bộ:
Trong đó 𝑘 = 1,5 là hệ số kể đến ảnh hưởng của hình dáng mặt thùng
4 Thiết kế cánh sóng Độ dày cánh sóng 𝛿 = 1 𝑚𝑚
Chiều rộng khe hở không khí 𝑎 = 50 𝑚𝑚
Chiều dài một bước sóng
𝑡 = 𝑎 + 𝑐 + 2𝛿 = 50 + 20 + 2.1 = 72𝑚𝑚 = 0,072𝑚𝑚 Chiều dài khai triển một bước cánh sóng
Bề mặt bức xạ của vách thùng cánh sóng
Bề mặt đối lưu của vách thùng cánh sóng là:
𝑀 𝑑𝑙.𝑠 = 𝑚 𝑙 𝑠 𝐻 𝑠 𝑘 𝑠 = 80.0,663.1,6.0,81 = 68,83 𝑚 2 Trong đó 𝑘 𝑠 = 0,81 hệ số kể đến mức độ đối lưu khó khăn của không khí giữa các cánh sóng
Bề mặt phần vách trên của thùng không có cánh sóng:
Chọn chiều rộng vành nắp thùng 𝑏 𝑣 = 0,05 𝑚
Bề mặt bức xạ toàn phần của thùng:
Bề mặt đối lưu toàn phần của thùng:
2.7.3 Tính toán cuối cùng về nhiệt độ chênh
1 Nhiệt độ chênh trung bình của thùng đối với không khí:
2 Nhiệt độ chênh của dầu sát vách thùng so với thùng:
3 Nhiệt độ chênh của dầu so với không khí
4 Nhiệt độ chênh của lớp dầu trên so với không khí
5 Nhiệt độ chênh của dây quấn đối với không khí
Như vậy nhiệt độ chênh của lớp dầu trên và của dây quấn so với không khí đều nằm trong phạm vi cho phép
2.8 Xác định sơ bộ trọng lượng ruột máy
Ruột máy, vỏ máy, dầu và bình giãn dầu của máy biến áp chỉ có thể tiến hành được sau khi đã hoàn thiện thiết kế đầy đủ các chi tiết của máy biến áp Nhưng với những tính toán ở trên cũng có thể xác định sơ bộ được trọng lượng của máy
1 Trọng lượng ruột máy phần tác dụng: tức là trọng lượng lõi sắt có các dây quấn và dây dẫn ra:
𝐺 𝑑𝑑 là trọng lượng dây quấn và dây dẫn ra
𝐺 𝐹𝑒 = 1830,65 𝑘𝑔 là trọng lượng lõi sắt
Trong đó: V là thể tích vỏ máy, 𝑉 = (8,1 + 0.806
- Thể tích bên trong thùng dầu:
- Thể tích bên trong cánh sóng:
2.9 Chọn một số chi tiết khác
Dùng dầu mba có nguồn từ thực vật - FR3 là chất lỏng cách điện có nguồn gốc tự nhiên được làm từ dầu thực vật, thân thiện với môi trường Ưu điểm của dầu này là dễ dãng phân hủy sinh học, không có độc tính Ngoài ra nó có ưu việt về độ chịu lửa, độ ổn định nhiệt và tính cách điện, cụ thể là:
- Có khả năng phân hủy đến 99%, đáp ứng yêu cầu quy định của môi trường, không phải là rác thải nguy hại
- Nhiệt độ chớp cháy cao, áp suất hình thành thấp khi xảy ra sự cố hồ quang, làm giảm rủi ro cháy nổ
- Khả năng giữ ẩm cao của dầu sinh học giúp giấy cách điện có tốc độ lão hóa chậm hơn
- Hiệu quả truyền nhiệt tốt
- Có khả năng tái tại sau sử dụng bằng các biện pháp dùng phụ gia có sẵn trong cuộc sống
- Sứ cao áp và hạ áp giúp tạo khoảng cách an toàn cách điện với với máy biến áp
Hình 2.8 Sứ cao áp và hạ áp
Phao chỉ thị dầu giúp xem mức dầu còn lại trong máy biến áp Theo tiêu chuẩn trên các máy biến áp phải có cơ cấu chỉ thị mức dầu trong thùng máy, phải được bố trí sao cho việc quan sát thuận tiện khi máy đang vận hành Nếu xuống mức min là mức dầu trong máy thiếu cần bổ xung ngay để không gây chập cháy
Hình 2.9 Phao báo dầu máy biến áp
2.9.4 Van xả dầu và van chân không
Máy biến áp phải có van xả dầu đặt ở đáy thùng Van chân không tùy thuộc vào từng máy Thông thường trước khi bơm dầu vào, máy biến áp cần được hút hết không khí qua van chân không, mục đích để không có khí tạp chất cũng như hơi nước trong máy, tránh xảy ra có phản ứng không cần thiết
Hình 2.10 Van xả dầu máy biến áp
Tính tổn hao và dòng điện không tải
Khi cấp điện áp xoay chiều định mức có tần số định mức vào cuộn dây sơ cấp và cuộn dây khác để hở mạch gọi là chế độ không tải
Trong máy biến áp, tổn hao không tải bao gồm có tổn hao trong lá thép, tổn hao đồng trong dây quấn do dòng không tải sinh ra, tổn hao do dòng điện rò trong các chất cách điện có trong máy biến áp Trong đó tổn hao đồng lúc không tải ở dây quấn rất nhỏ nên ta có thể bỏ qua
Như vậy, ta xem tổn hao không tải gồm hai thành phần:
• Tổn hao trong trụ sắt
• Tổn hao trong mạch từ
1 Lõi thép làm bằng tôn cán lạnh NV30S-120, dày 0,3 mm do đó trị số tự cảm tromg trụ sắt và trong gông là:
Tiết diện khe không khí ở mối nối thẳng bằng tiết diện trụ hoặc gông Tiết diện khe không khí ở mối nối nghiêng bằng:
𝑇 𝑛 = √2𝑇 𝑡 = √2 0,04655 = 0,066 𝑚 2 Trị số từ cảm trong khe hở không khí mối nối nghiêng:
2 Với thép NV30S-120, dày 0,3 mm, ta tra được các suất tổn hao sắt tương ứng: Với 𝐵 𝑡 = 1,596 𝑇 𝑝 𝑡 = 0,92 𝑊 𝑘𝑔⁄ 𝑝 𝑘𝑡 = 754 𝑊/𝑚 2
3 Theo (5-22) tài liệu [1], tổn hao không tải:
2 𝐺 𝑜 𝑘 𝑝𝑜 + ∑ 𝑝 𝑘 𝑛 𝑘 𝑇 𝑘 ]𝑘 𝑝𝑔 𝑘 𝑝𝑒 𝑘 𝑝𝑡 Đối với mạch từ phẳng, nối nghiêng ở 4 góc, trụ giữa nối thẳng, lõi sắt không đột lỗ, tôn có ủ sau khi cắt, có khử bavia, ta tìm được
Hệ số tổn hao do cắt dập lá tôn có ủ: 𝑘 𝑝𝑐 = 1,00
Hệ số tổn hao do gấp méo hay khử bavia: 𝑘 𝑝𝑏 = 1,00
Hệ số gia tăng tổn hao ở gông: 𝑘 𝑝𝑔 = 1,00
Hệ số gia tăng tổn hao công suất: 𝑘 𝑝𝑒 = 1,03
Hệ số tổn hao do tháo lắp gông: 𝑘 𝑝𝑡 = 1,04
Hệ số tổn hao phụ các mối nối mạch từ 𝑘 𝑝𝑜 = 10,45
= 2125 𝑊 Sai lệch so với tiêu chuẩn là:
4 Với thép NV30S-120, ta tìm được suất từ hóa:
5 Công suất từ hóa không tải:
2 𝐺 𝑜 𝑘 𝑖𝑜 𝑘 𝑖𝑟 + ∑ 𝑞 𝑘 𝑛 𝑘 𝑇 𝑘 ]𝑘 𝑖𝑔 𝑘 𝑖𝑒 𝑘 𝑖𝑡 Đối với kết cấu lõi thép và công nghệ chế tạo mạch từ có ủ lá tôn sau khi cắt dập ta tìm được:
Hệ số làm tăng công suất từ hóa ở gông: 𝑘 𝑖𝑔 = 1,00
Hệ số ảnh hưởng của việc cắt gọt bavia: 𝑘 𝑖𝑏 = 1,00
Hệ số ảnh hưởng của việc cắt dập lá thép: 𝑘 𝑖𝑐 = 1,18
Hệ số ảnh hưởng của việc ép mạch từ để đai: 𝑘 𝑖𝑒 = 1,06
Hệ số tăng công suất từ hóa do việc tháo lắp gông trên 𝑘 𝑖𝑡 = 1,05
Hệ số ảnh hưởng của chiều rộng lá tôn ở các góc mạch từ 𝑘 𝑖𝑟 = 1,35
6 Thành phần phản kháng của dòng điện không tải:
7 Thành phần tác dụng của dòng điện không tải:
8 Dòng điện không tải toàn phần:
Trị số dòng điện không tải của dây quấn HA tương ứng là:
9 Hiệu suất của mba khi tải định mức:
Tính toán nhiệt
Tính toán nhiệt là tính toán về nhiệt ở trạng thái xác lập nghĩa là khi máy biến áp làm việc ở tải định mức, ở trạng thái xác lập này toàn bộ nhiệt lượng do dây quấn và lõi sắt phát ra xung đều khuếch tán ra xung quanh
Nói chung tính toán nhiệt của máy biến áp gồm các phần sau đây:
• Tính chọn nhiệt độ chênh qua từng phần
• Chọn kích thước thùng dầu bảo đảm toả nhiệt tốt nghĩa là làm sao nhiệt độ dây quấn lõi sắt dầu không quá mức quy định
• Kiểm tra nhiệt độ chênh của dây quấn, lõi sắt và dầu đối với không khí
2.7.1 Tính toán nhiệt của dây quấn
1 Nhiệt độ chênh trong lòng dây quấn với mặt ngoài của nó
+ kiểu dây quấn băng đồng, có độ dày 𝛿 = 0,9 𝑚𝑚
+ bề dày lớp cách điện 𝑛 = 0,25 𝑚𝑚
+ bề dày mỗi lớp ống thông dầu 𝑠 = 4 𝑚𝑚
+ mỗi ống thông dầu rộng 𝑟 = 5 𝑚𝑚 đặt cách nhau 𝑐 = 15 𝑚𝑚
+ ống thông dầu được đặt sau các lớp thứ 4, 8, 12
+ đường kính trong và đường kính ngoài hạ áp: 𝐷′ 1 = 0,29𝑚 𝐷′′ 1 = 0,35𝑚
• Bề mặt làm lạnh lớp trong cùng và ngoài cùng:
Sau lớp thứ 4 dây gồm 3 lớp băng đồng kèm 3 lớp cách điện và lớp cách điện của ống thông dầu nên ta có đường kính sau lớp thứ 4 là:
Số ống thông dầu sau lớp thứ 4:
• Bề mặt làm lạnh sau lớp thứ 4:
Sau lớp thứ 8 dây gồm 8 lớp băng đồng kèm 8 lớp cách điện và 2 lớp cách điện của lớp ống thông dầu thứ 1 và thứ 2; 1 lớp ống thông dầu nên ta có đường kính sau lớp thứ 8:
Số ống thông dầu sau lớp thứ 8:
• Bề mặt làm lạnh sau lớp thứ 8:
Sau lớp thứ 12 dây gồm 12 lớp băng đồng kèm 12 lớp cách điện và 3 lớp cách điện của lớp ống thông dầu 1, 2, 3; 2 lớp ống thông dầu nên ta có đường kính sau lớp thứ
Số ống thông dầu sau lớp thứ 12:
• Bề mặt làm lạnh sau lớp thứ 12:
Tổng bề mặt làm lạnh của dây HA là:
𝑀 1 = 𝑀 0 + 𝑀 4 + 𝑀 8 + 𝑀 12 = 2,333 + 0,828 + 0,873 + 0,92 = 4,954 𝑚 2 Mật độ dòng nhiệt trên bề mặt dây quấn HA:
4,954 = 1289 𝑊/𝑚 2 Nhiệt độ chênh trong lòng dây quấn HA với mặt ngoài của nó là:
𝜕 là chiều dày cách điện một phía của dây dẫn, 𝜕 = 0,25 10 −3 𝑚;
𝜆 𝑐𝑑 = 0,17 𝑊/(𝑚 ℃) là suất dẫn nhiệt của lớp cách điện, tra ở bảng 54[1]
Nhiệt độ chênh trong lòng dây quấn CA với mặt ngoài của nó là:
2 Nhiệt độ chênh giữa mặt ngoài dây quấn đối với dầu:
𝑘 1 = 1,0 hệ số kể đến tốc độ chuyển động của dầu trong dây quấn
𝑘 2 = 1,0 hệ số tính đến TH dây HA ở trong nên dầu đối lưu khó khăn làm dây HA nóng lên
3 Nhiệt độ chênh trung bình của dây quấn đối với dầu:
2.7.2 Tính toán nhiệt của thùng
Thùng dầu đồng thời là vỏ máy của máy biến áp, trên đó có đặt các chi tiết máy rất quan trọng như sứ ra của các dây quấn cao áp và hạ áp, ống phòng nổ, bình giãn dầu… vì vậy thùng dầu ngoài yêu cầu phải tản nhiệt tốt còn phải bảo đảm các tính năng về điện (như bảo đảm khoảng cách cho phép giữa dây quấn với vách thùng), có độ bền cơ học đảm bảo, chế tạo lại đơn giản và có khả năng rút gọn được kích thước bên ngoài
1 Với công suất 𝑆 = 1250𝑘𝑉𝐴 ta chọn loại thùng có bộ tản nhiệt kiểu cánh sóng
2 Chọn các kích thước tối thiểu bên trong thùng
- Các khoảng cách cách điện từ dây dẫn ra đến vách thùng, đến xà ép gông trên được xác định như sau: Độ dày dây dẫn ra HA đã chọn 𝑑 1 = 10 𝑚𝑚 Đường kính dây dẫn ra CA 𝑑 2 = 10 𝑚𝑚
Khoảng cách từ dây dẫn ra CA đến chính dây quấn đó 𝑠 1 = 50 𝑚𝑚
Khoảng cách từ dây dẫn ra CA đến vách thùng 𝑠 2 = 50 𝑚𝑚
Khoảng cách từ dây dẫn ra HA đến dây quấn CA 𝑠 3 = 30 𝑚𝑚
Khoảng cách từ dây dẫn ra HA đến vách thùng 𝑠 4 = 30 𝑚𝑚
Khoảng cách từ dây dẫn CA đến vách thùng 𝑠 5 = 90 𝑚𝑚
Hình 2.7 Kích thước của thùng
- Chiều rộng tối thiểu của thùng:
= 0,49 + (50 + 50 + 10 + 30 + 30 + 10) 10 −3 = 0,67 𝑚 Để tâm trụ mba ở giữa ta lấy 𝐵 = 0,8 𝑚
- Chiều dài tối thiểu thùng dầu:
Chiều dày tấm đệm dưới 𝑛 = 0,05 𝑚
- Khoảng cách từ gông trên đến nắp thùng theo bảng 58[1] khi bộ điều chỉnh điện áp đặt nằm ngang giữa gông trên và nắp thùng ta lấy:
3 Tính sơ bộ diện tích bề mặt bức xạ của thùng dầu
- Diện tích bề mặt bức xạ của thùng dầu sơ bộ:
Trong đó 𝑘 = 1,5 là hệ số kể đến ảnh hưởng của hình dáng mặt thùng
4 Thiết kế cánh sóng Độ dày cánh sóng 𝛿 = 1 𝑚𝑚
Chiều rộng khe hở không khí 𝑎 = 50 𝑚𝑚
Chiều dài một bước sóng
𝑡 = 𝑎 + 𝑐 + 2𝛿 = 50 + 20 + 2.1 = 72𝑚𝑚 = 0,072𝑚𝑚 Chiều dài khai triển một bước cánh sóng
Bề mặt bức xạ của vách thùng cánh sóng
Bề mặt đối lưu của vách thùng cánh sóng là:
𝑀 𝑑𝑙.𝑠 = 𝑚 𝑙 𝑠 𝐻 𝑠 𝑘 𝑠 = 80.0,663.1,6.0,81 = 68,83 𝑚 2 Trong đó 𝑘 𝑠 = 0,81 hệ số kể đến mức độ đối lưu khó khăn của không khí giữa các cánh sóng
Bề mặt phần vách trên của thùng không có cánh sóng:
Chọn chiều rộng vành nắp thùng 𝑏 𝑣 = 0,05 𝑚
Bề mặt bức xạ toàn phần của thùng:
Bề mặt đối lưu toàn phần của thùng:
2.7.3 Tính toán cuối cùng về nhiệt độ chênh
1 Nhiệt độ chênh trung bình của thùng đối với không khí:
2 Nhiệt độ chênh của dầu sát vách thùng so với thùng:
3 Nhiệt độ chênh của dầu so với không khí
4 Nhiệt độ chênh của lớp dầu trên so với không khí
5 Nhiệt độ chênh của dây quấn đối với không khí
Như vậy nhiệt độ chênh của lớp dầu trên và của dây quấn so với không khí đều nằm trong phạm vi cho phép.
Xác định sơ bộ trọng lượng ruột máy
Ruột máy, vỏ máy, dầu và bình giãn dầu của máy biến áp chỉ có thể tiến hành được sau khi đã hoàn thiện thiết kế đầy đủ các chi tiết của máy biến áp Nhưng với những tính toán ở trên cũng có thể xác định sơ bộ được trọng lượng của máy
1 Trọng lượng ruột máy phần tác dụng: tức là trọng lượng lõi sắt có các dây quấn và dây dẫn ra:
𝐺 𝑑𝑑 là trọng lượng dây quấn và dây dẫn ra
𝐺 𝐹𝑒 = 1830,65 𝑘𝑔 là trọng lượng lõi sắt
Trong đó: V là thể tích vỏ máy, 𝑉 = (8,1 + 0.806
- Thể tích bên trong thùng dầu:
- Thể tích bên trong cánh sóng:
Chọn một số chi tiết khác
Dùng dầu mba có nguồn từ thực vật - FR3 là chất lỏng cách điện có nguồn gốc tự nhiên được làm từ dầu thực vật, thân thiện với môi trường Ưu điểm của dầu này là dễ dãng phân hủy sinh học, không có độc tính Ngoài ra nó có ưu việt về độ chịu lửa, độ ổn định nhiệt và tính cách điện, cụ thể là:
- Có khả năng phân hủy đến 99%, đáp ứng yêu cầu quy định của môi trường, không phải là rác thải nguy hại
- Nhiệt độ chớp cháy cao, áp suất hình thành thấp khi xảy ra sự cố hồ quang, làm giảm rủi ro cháy nổ
- Khả năng giữ ẩm cao của dầu sinh học giúp giấy cách điện có tốc độ lão hóa chậm hơn
- Hiệu quả truyền nhiệt tốt
- Có khả năng tái tại sau sử dụng bằng các biện pháp dùng phụ gia có sẵn trong cuộc sống
- Sứ cao áp và hạ áp giúp tạo khoảng cách an toàn cách điện với với máy biến áp
Hình 2.8 Sứ cao áp và hạ áp
Phao chỉ thị dầu giúp xem mức dầu còn lại trong máy biến áp Theo tiêu chuẩn trên các máy biến áp phải có cơ cấu chỉ thị mức dầu trong thùng máy, phải được bố trí sao cho việc quan sát thuận tiện khi máy đang vận hành Nếu xuống mức min là mức dầu trong máy thiếu cần bổ xung ngay để không gây chập cháy
Hình 2.9 Phao báo dầu máy biến áp
2.9.4 Van xả dầu và van chân không
Máy biến áp phải có van xả dầu đặt ở đáy thùng Van chân không tùy thuộc vào từng máy Thông thường trước khi bơm dầu vào, máy biến áp cần được hút hết không khí qua van chân không, mục đích để không có khí tạp chất cũng như hơi nước trong máy, tránh xảy ra có phản ứng không cần thiết
Hình 2.10 Van xả dầu máy biến áp
Theo tiểu chuẩn, máy biến áp phải có ít nhất 2 điểm tiếp địa được bố trí ở phần dưới về 2 phía đối diện Tiếp địa được bắt bằng bu-lông có ren không nhỏ hơn M12
Do máy có trọng lượng lớn nên ta phải bố trí 4 móc cẩu ở phần nắp máy để thuận tiện trong quá trình vận chuyển
Bảng 2.5 Bảng thông số kỹ thuật của máy biến áp
STT Các đặc tính kỹ thuật
1 Kiểu máy biến áp Ngâm dầu kiểu kín
2 Công suất định mức 1250 kVA
3 Điện áp định mức sơ cấp 35 kV
4 Điện áp định mức thứ cấp 0,4 kV
6 Tần số định mức 50 Hz
7 Điều chỉnh điện áp phía cao thế 𝟑𝟓𝟎𝟎𝟎 ± (𝟐𝒙𝟐, 𝟓%) V
16 Nhiệt độ môi trường lớn nhất 45 ℃
17 Độ tăng nhiệt độ dầu 41 ℃
18 Độ tăng nhiệt độ dây 64 ℃
20 Vật liệu dây dẫn Đồng
21 Kích thước thùng dầu ước tính 1,8 x 0,8 x 1,7 m
23 Các phụ kiện đi kèm - Chỉ thị áp lực
-Van bảo vệ áp lực dầu
24 Tiêu chuẩn áp dụng TCVN 6306
MÔ PHỎNG TỪ THÔNG LÕI THÉP BẰNG ANSYS MAXWELL 47
Giới thiệu phần mềm ANSYS Maxwell
ANSYS Maxwell là phần mềm thiết kế và phân tích các thiết bị điện từ như động cơ, máy biến áp…
Phần mềm này sử dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEA) để giải quyết các bài toán về điện trường, từ trường tĩnh, dòng điện xoáy, và hiện tượng quá độ trong mạch điện Maxwell giải quyết các vấn đề trường điện từ bằng cách giải phương trình của Maxwell trong một vùng không gian hữu hạn với các điều kiện biên thích hợp, khi phân tích người dùng quy định điều kiện ban đầu để có được một giải pháp tin cậy
Maxwell có tính năng rất đặc biệt đó là quy trình giải pháp tự động Bạn chỉ cần xác định hình dạng hình học và tính chất của vật liệu được sử dụng để tạo ra sản phẩm Sau đó, Maxwell sẽ phân tích và tự động tạo ra các biểu mẫu chính xác nhất theo yêu cầu Ưu điểm nổi trội này giúp người dùng tối ưu quá trình phân tích và nhận được thiết kế đơn giản, hiệu quả cao.
Kết quả mô phỏng
Từ các thông số thiết kế của mạch từ và dây quân máy biến áp ta xây dựng được mô hình mô phỏng máy biến áp, ở bài này em chọn mô phỏng thiết kế 2D
Hình 3.1 Mô hình mạch từ và dây quấn máy biến áp
3.2.2 Kết quả mô phỏng a) Kết quả mô phỏng từ thông trong lõi thép
Khảo sát mật độ từ thông ở mạch từ trong 1 chu kỳ 0,02s ta thu được kết quả
Hình 3.2 Mật độ từ thông trong mạch từ tại t=0
Hình 3.3 Mật độ từ thông trong mạch từ tại t=0,005
Hình 3.4 Mật độ từ thông trong mạch từ tại t=0,01
Hình 3.5 Mật độ từ thông trong mạch từ tại t=0,015
Hình 3.6 Mật độ từ thông trong mạch từ tại t=0,02
Nhận xét: Dựa vào kết quả mô phỏng ta thấy vùng từ thông lớn nhất vào khoảng 1,6T chưa vượt đến vùng bão hòa của thép đã chọn nên tính toán thiết kế đạt yêu cầu b) Dòng điện và điện áp
Hình 3.7 Nguồn xoay chiều đưa vào cuộn cao áp
Hình 3.8 Điện áp cảm ứng phía cao áp
Hình 3.9 Dòng điện cao áp
Với giá trị mô phỏng ta tính được:
Hình 3.10 Điện áp cảm ứng phía hạ áp
Hình 3.11 Dòng điện hạ áp
Với giá trị mô phỏng ta tính được:
√2 ≈ 2933 𝐴 Nhận xét: Với thông số thiết kế của máy biến áp là 1250 kVA 35/0,4 kV thì các giá trị tính được theo kết quả mô phỏng là gần chính xác, việc sai lệch do các nguyên sau:
- Mô phỏng chưa thể hiện được chính xác cách ghép nối mạch từ
- Sai số do việc tính toán có làm tròn
- Sai số từ việc lấy dữ liệu hình ảnh
MÁY BIẾN ÁP AMORPHOUS
Khái niệm
Hình 4.1 Máy biến Amorphous siêu giảm tổn thất
Máy biến áp Amorphous hay còn có tên gọi khác là máy biến áp lõi tôn vô định hình armorphous: là một loại máy biến áp sử dụng lõi Armorphous - loại thép hợp kim vô định hình Vỡi lõi Amorphous, máy biến áp Amorphous có khả năng giảm thiểu tổn thất công suất và tiếng ồn, đồng thời tăng độ hiệu quả trong việc truyền tải và phân phối điện năng, giúp tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường.
Cấu tạo máy biến áp Amorphous
Về cơ bản, máy biến áp Amorphous có cấu tạo tương đối giống so với các loại máy biến áp CRGO (máy biến áp lõi thép định hình) khác, chỉ khác nhau ở đặc điểm cấu tạo lõi thép
- Hợp kim Amorphous hay thép hợp kim vô định hình Amorphous là một hợp kim có cấu trúc vô định hình, được làm bằng hợp kim không có thứ tự nguyên tử Hợp kim Amorphous được tạo ra bằng cách làm nguội tốc độ nhanh các kim loại nóng chảy để làm ngăn cản quá trình kết tinh và để lại các cấu trúc thủy tinh hóa ở dạng các dải mỏng
+ Hợp kim vô định hình Amorphous có cấu trúc vô định hình (không tinh thể)
+ Sắp xếp nguyên tử không có cấu trúc
Hình 4.2 Sự khác nhau của cấu trúc nguyên tử
Hiện nay trên thế giới có rất ít nước sản xuất được hợp kim Amorphous như Nhật,
Mỹ, Trung Quốc, Đức Đồng thời với công nghệ hiện nay chỉ sản xuất được 3 loại bản rộng lá tôn là 142/170/213mm; độ dày 0,025mm Do đặc điểm của hợp kim Amorphous là rất mỏng và giòn nên việc thiết kế và chế tạo mạch từ cho máy biến áp đòi hỏi rất khắt khe và khác hơn nhiều việc chế tạo mạch từ bằng tôn silic thông thường
Hình 4.3 Lõi thép máy biến áp Amorphous
Ưu điểm và nhược điểm của máy biến áp Amorphous
a) Ưu điểm của máy biến áp Amorphous
• Ưu điểm thứ nhất chính là tiết kiệm năng lượng, có tổn hao không tải thấp hơn so với máy biến áp thông thường
- Ví dụ: Cùng là máy 3 pha công suất 400 kVA 20/0,4 kV của hãng Schneider, tổn hao không tải của Amorphous chỉ dừng lại ở mức 0.2 kW trong khi CRGO cao hơn gấp đôi là 0,43 kW
• Ưu điểm thứ hai của máy Amorphous là ở khả năng sinh nhiệt thấp
Do lõi từ của máy biến áp amorphous được làm bằng thép vô định hình, giúp dẫn điện và tỏa nhiệt tốt hơn so với các loại thép thông thường Khi dòng điện chạy qua lõi từ này, nó sẽ tạo ra hiệu ứng từ, tạo ra sự rung động trong lõi từ, từ đó tạo ra nhiệt độ và phân tán nhiệt độ ra xung quanh Do đó, máy biến áp amorphous có khả năng tự làm mát có khả năng tự làm mát, nên máy biến áp này không cần sử dụng dầu làm mát, giúp giảm thiểu nguy cơ cháy nổ, giảm thiểu chi phí bảo trì, đồng thời cũng giảm thiểu khả năng gây ô nhiễm môi trường
• Ưu điểm thứ ba đó là độ tin cậy của máy biến áp amorphous cao hơn so với các loại máy biến áp khác Độ tin cậy của máy biến áp amorphous khá cao Điều này được đảm bảo bởi những tính năng kỹ thuật đặc biệt của lõi thép vô định hình và thiết kế khác biệt so với các loại máy biến áp truyền thống Vì được làm từ thép vô định hình, không có hướng từ nên không bị hủy hoại bởi tác động từ trường và độ bền của nó cũng cao hơn so với các loại thép thông thường được sử dụng trong máy biến áp Ngoài ra, vì máy biến áp amorphous có khả năng làm mát tự nhiên và giảm thiểu mất năng lượng nên cũng làm tăng độ tin cậy của máy biến áp
• Ưu điểm thứ tư, cũng là ưu điểm cuối cùng của máy biến áp Amorphous đó là khả năng giảm thải khí CO2
Nếu vận hành với mức tải tối ưu, cùng tải một lượng công suất như nhau, lượng khí Carbon dioxide sinh ra từ máy biến áp vô định hình ít hơn so với CRGO Với xu thế công nghiệp xanh, giảm thiểu ô nhiễm nhà kính thì máy Amorphous là lựa chọn tuyệt vời cho các quốc gia mong muốn phát triển bền vững b) Nhược điểm của máy biến áp Amorphous
Công suất tối đa của máy biến áp Amorphous bị giới hạn dưới 10 MVA Công suất này phù hợp với các trạm biến áp phụ và trạm phân phối Muốn công suất AMT vượt quá 10 MVA bắt buộc phải tăng 2 yếu tố là độ rộng của lá thép vô định hình và khối lượng đồng Công nghệ chế tạo thép vô định hình hiện nay mới chỉ tạo ra các lá thép có bảng rộng là 142/170/213mm Hai yếu tố này ngăn cản khả năng mở rộng công suất của Amorphous Trái ngược thép vô định hình, thép cán
56 nguội dùng cho máy CRGO có chiều rộng lên tới 1000 mm, nhờ đó việc gia công cắt ghép lõi từ CRGO trở nên linh hoạt hơn
• Kích thước tổng thể lớn hơn máy biến áp CRGO
Với công suất như nhau, máy biến áp sử dụng thép vô định hình cần số lượng đồng lớn hơn Ngoài ra, lõi từ của loại 3 pha thường có 5 trụ thép, trong khi cùng công suất nhưng máy CRGO chỉ cần 3 trụ Hai điều này dẫn đến kích thước hoàn thiện của Amorphous lớn hơn máy biến áp thông thường
• Tạo ra tiếng ồn lớn
Trong quá trình sản xuất, lõi từ của máy biến áp Amorphous không thể chịu lực ép, vì thế tính liên kết của lõi thép võ định hình lỏng lẻo hơn, để lại khoảng trống nhiều hơn, do đó về tổng quan máy biến áp amorphous thường có tiếng ồn cao hơn so với máy biến áp CRGO Tuy nhiên, các kỹ thuật cải tiến như đóng khung, sử dụng tấm chắn tiếng ồn, hoặc lắp đặt máy biến áp trong hộp kín có thể giảm thiểu tiếng ồn của máy biến áp amorphous xuống mức thấp hơn
• Chi phí đầu tư ban đầu tốn kém hơn
- Do khó khăn trong khâu chế tạo vật liệu vô định hình nên giá thành sản xuất lõi từ máy Amorphous cao hơn lõi từ máy biến áp thông thường
- Cùng công suất như nhau, máy biến áp Amorphous sử dụng lượng đồng nhiều hơn máy CRGO
- Vỏ máy Amorphous có kích thước lớn hơn so với máy biến áp thông thường cùng công suất
Từ 3 nguyên nhân nêu trên, mặt bằng giá bán Amorphous trên thế giới cao hơn từ 1,2 đến 1,3; thậm chí có nơi chênh lệch tới 1.4 lần so với máy biến áp sử dụng lõi thép sắt
57 từ Giá máy biến áp do các đơn vị Việt Nam sản xuất tuy có mức chênh lệch thấp hơn nhưng về tổng thể chi phí bỏ ra để sở hữu Amorphous cao hơn máy biến áp CRGO
Ví dụ về bảng giá máy biến áp Thibidi công bố năm 2020 như sau:
- Ví dụ 1: MBA Amorphous 100 kVA - 22/0,4 kV tiêu chuẩn 62/QĐ EVN có giá niêm yết dành cho đại lý là 118,159,000 VND Sản phẩm máy biến áp dầu thông thường, cùng thông số, cùng tiêu chuẩn áp dụng có đơn giá 101.861.000 VND
- Ví dụ 2: MBA Amorphous 1000 kVA - 22/0,4 kV tiêu chuẩn kỹ thuật 3370/QĐ EVN HCMC có giá thành niêm yết dành cho đại lý là 442.129.000 VND Sản phẩm máy biến áp dầu thông thường, cùng thông số, cùng tiêu chuẩn áp dụng có đơn giá 381.048.000 VND
TỔNG KẾT
Như vậy đồ án tốt nghiệp với đề tài “Thiết kế máy biến áp điện lực ba pha ngâm dầu công suất 1250 kVA” của em đã hoàn thành Về cơ bản thì em đã giải quyết được yêu cầu đặt ra của bài toán, từ việc tính toán các kích thước cơ bản, tính toán điện từ, tính toán nhiệt…cho đến việc lựa chọn các chi tiết đi kèm để hoàn thiện một máy biến áp Về việc mô phỏng thì cho kết quả sát với tính toán Tuy nhiên đây vẫn chỉ là kết quả mang tính lý thuyết, chưa thực sự phù hợp với tình hình thực tế hiện nay
Trong quá trình thực hiện đồ án này, em đã gặp những khó khăn nhất định, nhưng được sự hướng dẫn tận tình của thầy Bùi Minh Định, em đã hoàn thành được đồ án này Em xin chân thành cảm ơn thầy!
Cuối cùng dù đã thực hiện đồ án bằng rất nhiều tâm huyết và cố gắng, song do hạn chế về mặt kiến thức thực tế, nhầm lẫn trong việc tính toán đồ án của em chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót, nhầm lẫn, em rất mong nhận được những ý kiến của thầy/cô để đồ án của em được hoàn thiện hơn
Em xin chân thành cảm ơn!