Thiết kế máy biến áp điện lực

Tuy hiệu suất củaMba thường rất lớn 98-99% Nhưng do số lượng Mba nhiều nên tổng tổnhao trong hệ thống rất đáng kể vì thế vấn đề đặt ra trong thiết kế Mba vẫn làgiảm tổn hao nhất là tổn

Lời nói đầu

Mba điện lực là một bộ phận rất quan trọng trong hệ thống điện Việctải điện năng đi xa từ nhà máy điện đến hộ tiêu thụ trong các hệ thống điệncần phải có rất nhiều lấn tăng giảm điện áp Do đó tổng công suất đặt củacác Mba lớn hơn nhiều lần so với công suất máy phát Tuy hiệu suất củaMba thường rất lớn ( 98-99% ) Nhưng do số lượng Mba nhiều nên tổng tổnhao trong hệ thống rất đáng kể vì thế vấn đề đặt ra trong thiết kế Mba vẫn làgiảm tổn hao nhất là tổn hao không tải trong Mba

Khuynh hướng phát triển của ngành chế tạo Mba điện lực hiện naylàtăng được giới hạn về công suất , về điện áp , ngoài ra còn mở rộng thangcông suất của Mba thành nhiều dãy để đáp ứng một cách rộng rãi với nhucầu sử dụng và vận hành Mba Để làm được điều đó trong thiết kế , chế tạoMba ta phải không ngừng cải tiến , tìm ra những vật liệu mới tốt hơn , thayđổi kết cấu mạch từ hợp lí , tăng trình độ công nghệ

Qua bản đồ án môn học này đã giúp em hiểu và làm quen với công việcthiết kế Mba nói riêng và máy điện nói chung Mặc dù đã rất cố gắng trongquá trình thiết kế nhưng chắc chắn không tránh khỏi những sai sót , emmong các thầy , cơ cùng các bạn đóng góp những ý kiến xây dựng

Em xin chân thành cảm ơn

Phần I : Tính toán các kích thước chủ yếu

1.1 Các đại lượng điện cơ bản của Mba

1.1.1 Công suất mỗi pha của mba:

10 400

3

10

U

S

I = dm = 577,36( )

10 4 , 0 3

10 400

-Phía CA: đấu Y I f2 =I2 = 6 , 6 (A)

-Phía HA: đấu Y If1=I1= 577,36 (A)

1.1.5 Điện áp pha:

Cả CA và HA đấu Y:

3

2 2

U

3

10

4600

10 10

.

10 100

f f

n f r

S

P I

m

I m U

r I u

d01

Theo bảng 4 với các tấm lá tôn có ép chọn số bậc là 6

Vật liệu lõi sắt : dựng tôn silic mã hiệu 3404 có chiều dày : 0,35 mm-Bảng8

Để ép trụ ta dựng nêm gỗ suốt giữa ống giấy Bakêlit với trụ hay với cuộn dây hạ

áp <H.2>

Để ép gông ta dựng xà ép với bu lông xiết ra ngoài gông

Xà ép gông trên và dưới được liên kết với nhau bằng những bulông thẳng đứng chạy dọc cửa sổ lõi sắt giữa hai cuộn dây giữa xà ép với gông phải lót đệm cacton cách điện để hệ thống xà sắt không tạo thành mạch từ kín

1.2.2 Chọn tôn silic và cường độ từ cảm trong trụ

Chọn tôn silic cán lạnh mã hiệu 3404 có chiều dày 0,35mm

ta chọn BT=1,6T

3

1.2.3 Các hệ số và suất tổn hao, suất từ hoá trong trụ và gông.

5/ Hệ số quy đổi từ trường tản: kR=0,95

6/ Từ cảm khe hở không khí giữa trụ và gông:

ghép chéo⇒ B KK =B T / 2= 1 , 131 ( )

2

6 , 1

1 Cách điện giữa trụ và dây quấn HA: a01= 15 (mm)

2 Cách điện giữa dây quấn HA và CA: a12=27 (mm)

3.cách điện giữa dây quấn CA và CA: a22=30 (mm)

4 cách điện giữa dây quấn CA đến gông : l02=75 (mm)

5.bề dầy ống cách điện CA và HA : δ12=5 (mm)

6.Tấm chắn giữ các pha : δ22=3 (mm)

7.Đầu thừa ống cách điện: lđ2=50 (mm)

8 Chiều rộng quy đổi từ trường tản: aR=a12+1/3(a1+a2)

(Bảng 12)⇒ k=0,59

019 , 0 10 33 , 133 59 , 0 3

2 4

2

aR=0,027+0,019=0,047(m)

1.3 Xác định kích thước chủ yếu của MBA:

MBA cần thiết kế là loại máy 3pha 3 trụ kiểu phẳng dây quấn đồng tâm (H.4)

4

- Chiều cao dây quấn: l

- Đường kính trung bình giữa hai dây quấn: d12

β =

Để chi phí chế tạo MBA là nhỏ nhất, mặt khác vẫn đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật

ta cần phải tìm được giá trị β tối ưu

Công suất trên một trụ : S’=U.I

Thành phần phản kháng của điện áp ngắn mạch :

(%) 10

9 ,

=

l u

k a d w I f U

v

r R x

.

9

u

k a w I f U

.kr=0,95 hệ số Rogovski

.aR=0,047 m chiều rộng quy đổi từ trường tản

.uv=4,44.f.BT.TT Điện áp trên một vòng dây

.TT=klđπd2/4 Tiết diện trụ

r R

x ld T

r R

v x

v

k a f

u k

d B f k

a w f

10 4 44 , 4

.

9

,

7

10 10

.

.

2 2 3

507 , 0

ld T x

r R

k B u f

k a S

95 , 0 047 , 0 33 , 133 507 , 0

.

'.

507 ,

2 2

4

2

ld T x

r R k B u f

k a S

Để tìm được β tối ưu, trước hết ta xác định trọng lượng tác dụng của MBA

a Trọng lượng tác dụng của lõi sắt: Lõi sắt gồm hai phần trụ và gông

Trọng lượng sắt của trụ : = + 0 =  . 12 +2 0 

4

) 2 (

π γ

A

G T = + (2-42)Trong đó : A 5 , 663 10 4 a.A3 k ld

1 =

0

2 4

2

2

e C t k

d k e C t T

k

G G = G T γFe − + = G π ld γFe − +

Trong đó : +Khoảng cách giữa hai trụ : C=d12 +a12 + 2 a2 +a22

+Chiều dày cuộn CA: a2=b.d/2

G G = + (2-48) với:

6

) (

10 40 , 2

) (

10 40 , 2

22 12 2 4

2

3 4

1

a a A k k B

e b a A k k B

ld G

ld G

+

=

+ +

2 2 2

1 (A B ).X B .X X

A G G

G Fe = T + G = + + +

b Trọng lượng dây quấn đồng :

2

G dq f n (2-53)Trong đó : K là hằng số phụ thuộc điện trở suất của dâyquấn : KCu=2,4.10-12

+mật độ dòng điện :

12

746 0

d S

u P

1

.k B f U A k

Sa K

C

r T ld f dq

Với tần số f=50Hz :

2 2 2

2 1

A U B k k

Sa k

C

r T ld f dq

= với dây đồng : Kdq=2,46.10-2

176 , 0 15 , 1 6 , 1 813 , 0 94 , 0

4 , 1 400 10

46 ,

2 2

Khi tính cả trọng lượng cách điện của dây quấn và phần dây quấn tăng thêmdựng để điều chỉnh điện áp ở cuôn CA thì trọng lượng toàn bộ dây quấn phảinhân thêm hệ số k=1,06

Giá thành vật liệu td: C td =C Fe(G T +G g)+C dq.k.G dq

Trong đó CFe và Cdq tương ứng là giá 1kg sắt làm lõi và 1kg kim loại đồng làmdây quấn đã kể đến các chi phí về chế tạo lõi sắt và dây quấn cũng như các phếliệu không dùng được Thường biểu diển giá thành theo đơn vị quy ước vớicách chọn giá thành 1kg sắt làm đơn vị

X

C k K X

A X A B X B C

Đạo hàm CT 2-59 và cho triệt tiêu: 0

0 4

5 +BX −CX −D =

924 , 1 06 , 1 84 , 1 977 , 229 3

39 , 340 2 3 2

509 , 0 977 , 229 3

401 , 351 3

320 , 0 977

, 229

) 09 , 68 968 , 34 ( 3

2

3 2

1 1 1 1 1

2 2

C D B

A C

B

A B B

dqFe

Thayvào (2-60): X5+ 0,320.X4- 0,509.X- 1,924=0

Giải phương trình trên bằng phương pháp dò ta được : X=1,21

Tương ứng với trị số β = X4 = 2 , 068

So sánh với phạm vi trị số β cho trong Bảng 17 β ∈[1 , 8 ; 2 , 4]

Để chọn được β còn phải căn cứ vào những tham số kĩ thuật của mba thiếtkế:

1 Tổn hao không tải: ' ( )

10

3

2

S

Q S

Qf = 40 qt.G0 =(VA) 40 1,775 G0 =71 G0

G0 là trọng lượng của một góc

3 3

3 4

3 3 4

Qδ = 3 , 2qδ.T t (VA) =3,2 4000 Tt (2-67)

+qδ : suất từ hoá khe hở: bảng 50

Tiết diện tác dụng của của trụ : Tt =0 , 785k ld A3X2 = 0 , 0198X2

Trong tính toán sơ bộ có thể coi gần đúng dòng điện không tải i0=i0x

3 Mật độ dòng điện trong dây quấn:

dq dq

dq dq

n f

G G

G G

K

P

10 219 , 42 10

75 , 1433

10 4 , 2

4600 93 , 0

6 12

10 26 10

) (

628

,

0

' 2 2 6

2

a f

S u k k

i F

R

x n r

38 , 51 ) 1

( 5

100 41 , 1 ) 1

, 0 50

33 , 133 5 38 , 51 10

.

2 T M X

F r

ω π

σ

Trong đó :

206 , 0 176 , 0 4 , 1

4600

95 , 0 93 , 0 38 , 51 10 244 , 0 10

P k k k

r f n Cu

A1/ = 351 , 401 / 335,63 303,46 282,252 267,022 255,193

2 2

2 X 68 , 09 X

2 2 1

T A / X A X

3 3

1 X 229 977 X

2 2

2 X 34 , 968 X

2 2

3 1

G B X B X

G T

T T

t G 1 , 295 G

G G

G G 1 , 251 G

)G.pG

T G 1 , 775 G

G G

G G 1 , 675 G

G G T T

,

T T

) Q Q Q

/(

Q

2 1

dq C / X

dq dq

dqFe k G 1 , 95 G

dq dqFe Fe

A

d 4 , 1 d

22 ,

β

2/ Đường kính trung bình của rãnh dầu giữa hai dây quấn :

12 1 01

0516 , 41 44 , 2

9 , 31 12

=

=

β π

Tiết diện thuần sắt của trụ :

) ( 038 , 0 4

22 , 0 813 , 0 4

4

.

2 2

2

m

d k

d k k

ld

dm c d

Điện áp một vòng dây : u v = 4 , 44 f.B T.T T = 4 , 44 50 1 , 6 0 , 038 = 13 , 5 (V)

Phần II Tính toán dây quấn.

2.1 Tính dây quấn HA.

1. Số vòng dây một pha của dây quấn HA: W1 =

v

t U

U

.

1

=2 , 689 10 6

844 , 360

= 134,216.10-6 (m2) = 134,216 (mm2)

Chọn kết cấu dây quấn, dựa theo Bảng 38:

Với S = 250 KVA ; It = 360,844 (A) ; U1 = 0,4 ( KV)

T'

1 = 134,261 (mm2)

Chọn kết cấu dây quấn hình xoắn mạch đơn dây dẫn bẹt ( H.5) Với ưu điểm

là độ bền cơ cao, cách điện boả đảm, làm lạnh tốt

⇒ hv1 < 0,0165m ( 16,5mm) do đó dựng dây quấn hình xoắn mạch đơn.

5 Căn cứ vào h v1 và T'

1 chọn dây dẫn theo Bảng 21:

- Chọn số sợi chập song song là : mv1 = 6

- Tiết diện sợi dây : 23,4(mm2)

844 , 360

− = 2,57 106 ( A/m2) = 2,57 (MA/m2)

8 Chiều cao dây quấn:

Dây dẫn hình xoắn mạch đơn hoán vị ba chỗ, giữa các bánh dây đều có rãnh dầu

+ k = 0,95: hệ số kể đến sự co ngót của tấm đệm sau khi ép chặt cuộn dây

9 Bề dầy của dây quấn:

13

hv hr hv a’

a 1

b

Với dây quấn hình xoắn mạch đơn : n =1.

10 Đường kính trong của dây quấn HA:

W1 T1 103

=28 3

2

228 , 0 178 ,

.36.140,4.10-6.103 = 86,188(Kg)

2.2 Tính dây quấn CA.

1 Chọn sơ đồ điều khiển điện áp: Đoạn dây điều chỉnh nằm ở lớp ngoài

cùng, mỗi nấc điều chỉnh được bố trí thành hai nhóm trên dưới dây quấn nối tiếpvới nhau và phân bố đều trên toàn chiều cao dây quấn (H.7 ) Chú ý rằng hai nhóm của đoạn dây điều chỉnh phải quấn cùng chiều với dây quấn chính

= 36

940 , 230

10 207 ,

6 Tiết diện dây dẫn sơ bộ:

− = 1,469(mm2)

7 Chọn kiểu dây quấn:

Theo bảng 38: Với S =250 (KVA) ; It2 = 4,124(A) ; U2 = 35(KV)

− = 2,678.10-6 (A/m2) = 2,678 (MA/m2)

11 Số vòng dây trong một lớp: W12 = '

2 2

3 2

10

d n

l

v

- 1 =

8 , 1 1

10 412 ,

- 1 = 228(vòng)

Chiều dày cách điện giữa các lớp: δ12 = 4 0,12 = 0,48mm

15 Phân phối số vòng dây trong các lớp, chia tổ lớp:

+ Do số lớp của dây quấn được làm tròn thành số nguyên n12 = 14 (lớp) nên số

vòng dây trong mỗi lớp không đúng bằng w 12 ( 228 vòng)

Ta phân phối 12 lớp trong có số vòng dây là W12 = 228vòng còn 2 lớp ngoài cũng có số vòng dây ít hơn:

Kích thước rãnh dầy: Bảng 54 : a’22 = 5(mm)

16 Chiều dày dây quấn CA:

22 12

Đây chỉ là kích thước hình học cuộn dây, còn khi tính sđđ tản thì lấy giá trị

a2 = 36 10-3(m) và lúc đó coi rãnh dầu được tăng lên:

= ( 27 + 0,5 + 2 0,48) 10+-3 = 28,5 10-3(m)

17 Đường kính trong của dây quấn CA :

) ( 282 , 0 10 27 2 228 , 0 10

12 1

2 2

22 2

357 , 0 282 0 (

88 , 0 3 5 , 1 ).

.(

.

5

,

2 2

"

2 '

10 54 , 1 3150 2

357 , 0 282 , 0 3 28 10

2

2 2 2

"

2 '

3.1.1 Tổn hao chính: Là tổn hao đồng trong dây quấn:

Trong đó: + ∆ : Mật độ dòng điện (A/m2)

+ ∆1= 2,570 106(A/m2)

+∆2 = 2,678 106 (A/m2)

+ T tiết diện dây đồng: (m2)

+ l chiều dài dây dẫn (m)

+ γd: Tỉ trọng dây dẫn γd = 8900kg/m3

+ ρ: Điện trở suất của dây dẫn ở 750C

ρ= 0,02135 µΩm

+ Gcu : Trọng lượng đồng dây quấn:

+ Dây quấn HA: Gcu = 86,188(kg)

3.1.2 Tổn hao phụ trong dây quấn:

Tổn hao phụ thường đựơc ghép vào tổn hao chính bằng cách thêm hệ số kf vàotổn hao chính:

Pcu + Pf = Pcu kf.Trong đó kf phụ thuộc vào kích thước hình học của dây dẫn và sự sắp xếp củadây dẫn trong tổn thất tản

- Trong đó dây quấn HA:

+ Số thành dẫn song song với từ thông tản: m = 36

kf1 = 1 + 0,095 108 β2a4.n2

19

Trong đó: + β =

l

m b.

kr =

412 , 0

95 , 0 36 10 1 ,

kr =

412 , 0

95 , 0 288 10 3 ,

= 0,683

kf2 = 1 + 0,44 108(0,683)2 1,32.10-12.142 = 1,001

Dây quấn HA là dây quấn hình xoắn có số sợi ghép song song là 6 do đó còn

có tổn hao phụ gây nên bởi dòng điện phân bố không đều giữa các dây ghépsong song vì hoán vị không hoàn toàn

20

1 Đối với dây quấn HA:

- Chiều dài dây dẫn ra HA: lr1 = 7,5l = 7,5 0412 = 3, 090(m)

- Trọng lượng đồng dây dẫn ra HA:

Pr1 = 2,4 10-12 2,572 10-12 3,861 = 61,206(W)

2 Đối với dây quấn CA:

- Chiều dài dây dẫn ra CA

3.1.4 Tổn hao trong vách thăng và các chi tiết kim loại khác:

Do một phần tử thông tin khép mạch qua vách thùng dầu, các xà ép gông, cácbulông , nên phát sinh tổn hao trong các bộ phận này

Pt = 10.k.sTrong đó hệ số k tra theo bảng 40a: k = 0,015

Pt = 10 0,015 250 = 37,5 (W)

3.1.5 Như vậy ta có tổn hao ngắn mạch của mba là:

Pn = Pcukf1 + Pcu2kf2 + Pr1 + Pr2 + Pt

Pn = Pcu1 ( kf1 + kfhv1 – 1 ) + Pcu2kf2 + Pr1 + Pr2 + Pt = 1366,231( 1,0164 + 1,001 –1) + +2240,855 1,001 + 61,206 + 0,729 + 37,5 = 3732,534(W)

So sánh với số liệu đã cho :

3700

534 , 3732

r

.100 =

m I U

m I r dm dm

dm n

534 , 3732

U

I X

.100 = 2

'.

9 , 7

v

r r

U

k a s

8 , 6 107 ,

.100 = 4,5%

Như vậy sai số nằm trong phạm vi ±5% đạt yêu cầu

3.3 Lực cơ học của dây quấn:

Khi mba bị sự cố ngắn mạch thì dòng điện ngắn mạch sẽ rất lớn, nó khôngnhững làm tăng nhiệt độ máy mà còn gây lực cơ học lớn nguy hiểm đối với dâyquấn mba

23

100 = 74,,107124 100 = 58,027 (A)

2 Trị số cực đại ( xung kích) của dòng điện ngắn mạch:

) 1

(

u u

n e

I

) ( 846 , 123 ) 1

.(

2 027

Lực cơ học sinh ra do tác dụng của dòng điện trong dây quấn với từ thông tản

- Lực hướng kính: Do từ trường tản dọc tác dụng với dòng điện gây nên

ar

= 172978

412,0.2

048,0

= 10076 (N)Lực F’t có tác dụng nén cả hai dấy quấn theo chiều trục và F’t sẽ đạt giá trị lớnnhất ở giữa dây quấn

24

3.3.3 Tính toán ứng suất của dây quấn:

1 ứng suất do lực hướng kính gây nên:

- ứng suất nén trong dây quấn HA: Do lực nén Fnr gây nên

nr −

=

W T 2

10

10 172978

10 172978

= 18,9% ứng suất nén cho phép

2 ứng suất do lực chiều trục gây nên:

- Lực chiều trục chủ yếu là lực nén, nó làm hỏng những miếng đệm cáchđiện giữa các vong dây ( H 10)

δn =

b a n

F n

.

10 − 6

6

10 40 2 , 25 8

10 10076

Phần IV: tính toán cuối cùng về hệ thống mạch từ và tham số

không tải của m.b.a

4.1 Tính toán kích thước lõi sắt :

1 Ta chọn kết cấu lõi thép kiểu 3 pha , 3 trụ , lá thép ghép xen kẽ làm bằng tôn cán lạnh mã hiệu 3404 dầy 0,35 mm có 4 mối nối nghiêng ở 4 góc ép trụ dựng nêm gỗ suốt giữa ống giấy bakêlit với trụ Gông ép bằng xà ép với bu lông siết ra ngoài gông

Số bậc , chiều dầy các tập lá thép và kích thước các tập lá thép tra theo Bảng

- Số bậc thang trong gông nG = 5

- Chiều rộng tập lá thép gông ngoài cùng aG = 85 mm

- Hệ số châm kín hình tròn của bậc thang trụ kc = 0,927

- Diện tích tiết diện ngang các bậc thang của trụ và gông ( Bảng 42a )

2 Xác định tiết diện tổng các bậc thang trong trụ :

Trong đó : l0' và l0'' là khoảng cách từ dây quấn đến gông trên và gông dưới

9 Trọng lượng sắt của trụ và gông :

- Trọng lượng sắt 1 góc của mạch từ : là phần chung nhau của trụ và gông , giới hạn bởi hai mặt trục vuông góc nhau

Trọng lượng sắt gông : Gồm hai phần :

Phần giữa hai trụ biên :

Trọng lượng sắt toàn phần của gông :

4.2 Tính toán tổn hao không tải , dòng điện không tải và hiệu suất mba

Khi cấp điện áp xoay chiều định mức có tần số định mức vào cuộn dây sơ cấp

và thứ cấp để hở mạch , gọi là chế độ không tải

1 Tổn hao không tải : Chủ yếu là tổn hao trong lá thép silic

u B

T

V

82 , 191 50 44 , 4

10 415 , 6

44 , 4

T

T

T B B

G

T T

972 , 196

82 , 191 506 , 1

G T G

G T T pp

pc k p G p G N G p p G k p n T k k k k

2 )

' (

.

+ kPT = 1,01 là hệ số tổn hao do tháo lắp gông trên ( Để lồng dây)

+ kPE = 1,02 là hệ số tổn hao do ép trụ để đai

+ kPC = 1,05 là hệ số kể đến tổn hao do cắt dập lá tôn

+ kPB = 1 là hệ số kể đến tổn hao gấp mép hoặc khử bavia

+ nK : Số khe nối giữa các lá thép trong mạch từ

044 , 1 443 , 256 11 , 1

934

,

813

01 , 1 02 , 1 1 ) 10 972 , 196 4 , 810 2 10 82 , 191 4 , 858 1 10 82 , 191 2

=

−

2 Dòng điện không tải :

Thành phần tác dụng của dòng điện không tải:

/

/ 100

m S

U m P I

I i

f

f f

934 ,

813 =

=

Theo Bảng 50 , ta tìm được suất từ hoá :

Với BT = 1,506 T , qT = 1,375 ( VA/Kg) , qKT =17008 (VA/m2)

Với BG = 1,467 T , qG = 1,241 (VA/Kg) , qKG = 14884 (VA/m2)