Thiết kế máy biến áp

Thành phần phản kháng của điện áp ngắn mạch Bảng tính toán tổng quát hoàn chỉnh Chương 1 Thành phần tác dụng của điện áp ngắn mạch % 1.04 Thành phần phản kháng của điện áp ngắn mạch Chư

Thiết kế máy biến áp

Trình tự thiết kế :

Chương 1:Xác định các đại lượng điện cơ bản

Chương 2:Thiết kế sơ bộ lõi sắt và tính toán các kích thước chủ yếu của máy biến áp

Chương 3:Tính toán dây quấn

Chương 4:Tính toán tham số không tải

Chương 5:Tính toán cuối cùng mạch từ

Chương 6:Tính toán nhiệt máy biến áp

Chương 7:Kết cấu máy biến áp

Nhiệm vụ thiết kế : Thiết kế máy biến áp điện lực ba pha ngâm dầu công suất 500 KVA

Các số liệu ban đầu:Công suất biểu kiến S=500KVA

Điện áp

Tần số

Tổ nối dây

Tổn hao không tải

Tổn hao ngắn mạch

Dòng không tải

Điện áp ngắn mạch

Chương 1 : Xác định các đại lượng điện cơ bản

I. Công suất mỗi pha của máy biến áp

II. Công suất mỗi trụ

Với là số trụ tác dụng (trên đó có quấn dây)

Thay số vào công thức trên ta được

III. Dòng điện dây định mức

1. Dây quấn cao áp

2. Dây quấn hạ áp

IV. Dòng điện pha

1. Phía cao áp

2. Phía hạ áp

1. Phía cao áp

2. Phía hạ áp

VI. Điện áp thử

Ta xác định được các điện áp thử nhờ tra bảng 2 trang 180 [Tài liệu 1]

1. Phía cao áp

2. Phía hạ áp

VII. Các thành phần điện áp ngắn mạch

1. Thành phần tác dụng của điện áp ngắn mạch

2. Thành phần phản kháng của điện áp ngắn mạch

Bảng tính toán tổng quát hoàn chỉnh Chương 1

Thành phần tác dụng của điện áp ngắn mạch (%) 1.04

Thành phần phản kháng của điện áp ngắn mạch

Chương 2: Thiết kế sơ bộ lõi sắt và tính toán các kích thước chủ yếu của máy biến áp

I. Chọn loại lõi sắt

Lõi sắt là phần mạch từ của máy biến áp do đó thiết kế nó cần phải làm sao bảo đảm được tổn hao sắt chính và phụ nhỏ,dòng điện không tải nhỏ,lượng tôn silic ít và hệ số điền đầy lõi sắt cao.Mặt khác lõi sắt còn làm khung mà trên đó để nhiều bộ phận quan trọng của máy biến áp như dây quấn, giá đỡ dây dẫn ra hay trong một số máy biến áp lõi sắt thường được nối với nắp máy bằng những bu lông để có thể nâng cẩu toàn bộ lõi sắt

ra khỏi vỏ khi lắp ráp.Hơn nữa, lõi sắt còn có thể chịu những

ứng lực cơ học lớn khi dấy quấn bị ngắn mạch.Vì vậy yêu cầu thứ 2 của lõi sắt là phải bền và ổn định về cơ khí để bảo đảm lúc nâng cẩu lõi an toàn cũng như chịu được những ứng lực lúc máy biến áp bị ngắn mạch

Có 2 loại lõi sắt : kiểu trụ và kiểu bọc.Ta chọn kiểu trụ vì kết cấu đơn giản,làm việc bảo đảm,dùng ít vật liệu

II. Chọn loại tôn silic và cách điện

1. Chọn tôn silic

Ta chọn loại tôn cán lạnh vì loại tôn này có ưu điểm vượt trội về khả năng dẫn từ và giảm hao mòn so với tôn cán nóng.Tôn cán lạnh là loại tôn có vị trí sắp xếp các tinh thể gần như không đổi

và có tính dẫn từ không đẳng hướng,do đó suất tổn hao giảm 2 đến 2,5 lần so với tôn cán nóng.Độ từ thẩm thay đổi rất ít theo thời gian dùng tôn cán lạnh cho phép tăng cường độ từ cảm trong lõi thép lên tới (1,6 -> 1,65)T trong khi đó tôn cán nóng chỉ là (1,4 -> 1,45)T Từ đó giảm được tổn hao trong máy ,giảm được trọng lượng, kích thước máy,đặc biệt là rút bớt được đáng

kể chiều cao của máy biến áp,rất thuận lợi cho việc chuyên chở.Tuy nhiên giá thành tôn cán lạnh có hơi cao nhưng do việc giảm được tổn hao và trọng lượng nên người ta tính rằng vẫn kinh tế hơn những loại máy biến áp được chế tạo bởi tôn cán nóng

Trong thiết kế môn học này ta chọn tôn cán lạnh mã hiệu 3404

có bề dày 0,35 mm,hàm lượng silic cao (2,8 -> 3,8)%

2. Chọn kiểu cách điện

Các lá thép silic trước khi ghép thành lõi máy biến áp phải được cách điện ở mặt ngoài

Ở vùng nhiệt đới như nước ta ,thích hợp nhất là cách điện bằng sơn cách điện loại 302 của Nga phủ một lớp rất mỏng khoảng 0,01 - > 0,02 mm.Phủ sơn vừa mỏng,hệ số điền đầy lại cao,tản nhiệt tốt và có thể tiến hành ủ được sau khi gia công lá thép (cắt,dập) để hồi phục và tăng từ tính lên

III. Ép trụ,ép gông,ghép lõi thép

1. Ép trụ

Máy biến áp ta thiết kế có công suất nên đường kính trụ sắt dùng nêm gỗ suốt giữa ống giấy bakêlit với trụ

2. Ép gông

Dùng xà ép với bulông xiết ra phía ngoài gông.Để hệ thống xà sắt đó không tạo thành mạch từ kín qua các đai thép gông thì giữa xà ép với gông cũng như giữa các đai thép với gông phải lót bằng nhưng đệm carton cách điện một cách cẩn thận

3. Ghép lõi thép( giữa trụ và gông)

Do ta sử dụng loại tôn cán lạnh mà do loại tôn này có tính chất dẫn từ không đẳng hướng nên việc ghép nối giữa trụ và gông không thể thực hiện kiểu mỗi nối vuông góc như tôn cán nóng được vì như vậy góc ghép nối khá lớn làm tăng tổn hao sắt mà

ta phải dùng mối nối nghiêng hay là phải cắt vát lá tôn như hình khi đó góc sẽ nhỏ đi nhiều và tổn hao sắt sẽ giảm đáng kể

Khi cắt tôn xong ta sẽ phải xử lý cho tốt bavia và ta phải ủ lại những lá tôn vừa cắt xong để cho những tinh thể kim loại trong vết cắt trở lại đinh hướng ban đầu

IV. Tính chọn sơ bộ mạch từ

1. Chọn số bậc thang trong trụ

Theo bảng 4 trang 181 [Phụ lục 1] ta chọn số bậc thang bằng 8 thì ta được hệ số chêm kín

Tiếp tục theo bảng 10 trang 184 với loại thép cán lạnh mã hiệu 3404,bề dày 0,35 mm thì hệ số điền đầy

Như vậy ta được hệ số lợi dụng

Chọn số bậc thang của gông nhỏ hơn số bậc thang của trụ 1 bậc,tức là 7 bậc (lá thép ngoài cùng của gông được gộp trung 1

cơ với lá thép áp chót nhằm đảm bảo lực ép phân bố đều hơn trên các lá thép gông)

2. Chọn trị số từ cảm trong trụ

Theo bảng 11 trang 185 [Phụ lục 1], Ta chọn

3. Từ cảm trong của gông

Theo bảng 6 trang 182 [Phụ lục 1],ta có hệ số tăng cường gông ,chọn

Vì vậy từ cảm trong của gông

4. Suất tổn hao trong trụ và gông

Theo bảng 45 trang 211 [Phụ lục 1]

Suất tổn hao trong trụ và gông

5. Suất từ hóa trong trụ và gông

Theo bảng 50 trang 215 [Phụ lục 1]

Suất từ hóa của trụ và gông

Suất từ hóa khe hở không khí với

6. Khoảng cách cách điện chính

C : Khoảng cách cách giữa 2 trụ cạnh nhau

d : Đường kính đường tròn ngoại tiếp tiết điện ngang của trụ Đường kính trung bình giữa 2 dây quấn

Khoảng cách từ dây quấn đến gông

Bề dày cuộn hạ áp

Bề dày cuộn cao áp

Khoảng cách cách điện giữa trụ và dây quấn hạ áp

Khoảng cách cách điện giữa dây quấn hạ áp và cao áp

Khoảng cách cách điện giữa 2 cuộn cao áp

Chiều cao dây quấn

Theo bảng 18,19 trang 188 [Phụ lục 1] ta xác định các khoảng cách cách điện chính:

- Giữa cuộn HA với trụ :

- Giữa cuộn HA với cuộn CA :

- Ống cách điện giữa CA và HA :

- Dây quấn CA đến gông :

- Phần đầu thừa của ống cách điện :

- Giữa 2 cuộn CA :

7. Hệ số Rogovski

8. Chiều rộng quy đổi từ trường tản

Với

k : tra theo bảng 12 trang 185 [Phụ lục 1] được

9. Các hằng số tính toán a,b

Tra bảng 13,14 trang 186 [Phụ lục 1]

10. Hệ số

Tra bảng 15 trang 186 [Phụ lục 1]

11.Chọn hệ số theo bảng 17, dải biến thiên của từ Nhưng

để xác định chính xác hơn ta phải tính các số liệu và các đặc tính cơ bản của máy biến áp như sau

Ta tính các hệ số sau với dải tham khảo

Xét

a. Trọng lượng tác dụng của lõi sắt

- Trọng lượng sắt trụ

Với máy biến áp thiết kế là máy biến áp 3 pha dùng tôn cán lạnh

- Trọng lượng sắt gông

Với máy biến áp thiết kế là máy biến áp 3 pha

Vậy trọng lượng tác dụng của lõi sắt

b. Trọng lượng kim loại dây quấn

Theo chương 4 [Phụ lục 1],ta có quan hệ sau

Trong đó :K là hằng số phụ thuộc vào điện trở suất của dây quấn,

mật độ dòng điện (A/m2)

tổn hao chính trong dây quấn (W)

hệ số tính đến tổn hao phụ trong dây quấn, trong dây dẫn ra;trong vách thùng và các chi tiết kim loại khác do dòng điện xoáy () (đã được tra ở trên)

Từ đó ta có công thức

Với

Với dây đồng

Mà tần số thiết kế cho máy biến áp

Với

c. Giá thành vật liệu tác dụng

Với là hệ số kể thêm trọng lượng cách điện và phần dây quấn tăng thêm dùng để điều chỉnh điện áp ở cuộn CA(sơ cấp) với dây đồng

tương ứng là giá 1 kg sắt làm lõi và 1 kg kim loại làm dây quấn biến áp đã kể các chi phí khác

Biểu diễn giá thành theo đơn vị quy ước

Trong đó hệ số

Tra ở bảng 16 trang 187 [Phụ lục 1]

12. Tính sơ bộ các đại lượng có liên quan

a. Tổn hao không tải của máy biến áp

Với là hệ số phụ,chủ yếu kể đến đặc điểm của vật liệu làm lõi săt.Ở đây ta dùng tôn cán lạnh nên

là suất tổn hao trong trụ và gông

b. Dòng không tải

Thành phần phản kháng của dòng điện không tải

Gần đúng, tính toán sơ bộ

Trong đó là hệ số kể đến sự phục hồi từ tính không hoàn toàn khi ủ lại lá tôn cũng như sự uốn nắn và ép lõi sắt ,

công suất tổn hao chung của trụ và gông

suất từ hóa ở trụ và gông

công suất từ hóa phụ đỗi với “góc” có mỗi nối thẳng

trọng lượng của một “góc”

công suất từ hóa ở những khe hở không khí nỗi giữa các lá thép

Với là suất từ hóa khe hở đối với

tiết diện tác dụng của trụ

Vậy

Ở đây trong tính toán sơ bộ lúc chọn phương án nên có thể coi gần đúng

c. Mật độ dòng điện trong dây quấn máy biến áp

Mà

Vậy

d. Ứng suất kéo của dây quấn

Khi ngắn mạch,dây quấn máy biến áp phải chịu những lực cơ học xuất hiện

Ứng suất kéo tác dụng lên tiết diện sợi dây dẫn

Với tiết diện một vòng dây của dây quấn ()

Biên đổi công thức, ta được công thức sau

Với

Mà

Ta có giới hạn của dây đồng

Vậy

Bảng tính toán chương 2

Ta vẽ các đồ thị quan hệ với

1

1

Từ các đồ thị quan hệ giữa và

Nhận thấy khi

Ta phải chọn nhỏ hơn

Vậy chọn

13. Tính toán các thông số theo tìm được

Lấy

- Trọng lượng trụ

- Trọng lượng gông

- Trọng lượng trụ và gông

- Trọng lượng dây quấn m.b.a

- Tổn hao không tải

- Dòng điện không tải

- Giá thành vật liệu tác dụng theo đơn vị quy ước

- Đường kính trung bình của rãnh dầu sơ bộ

- Chiều cao dây quấn sơ bộ

- Tiết diện hữu hiệu của trụ sắt (thuần sắt)

Với

Tra bảng 42b trang 208 [Phụ lục 1],ta được

Các số liệu ta tính toán được ở đây chỉ mang tính chất sơ bộ, có thể ta sẽ phải điều chỉnh lại những con số này trong quá trình hoàn thiện về sau