Yêu cầu của máy biến áp lò thông qua các quá trình của công nghệ luyện thép

Yêu cầu của máy biến áp lò thông qua các quá trình của công nghệ luyện thép

LỜI NÓI ĐẦU

Trong sự nghiệp công nghiệp hóa đất nước nghành công nghiệp luyệnkim đóng một vai trò đặc biệt quan trọng

Hiện tại trên thế giới cũng như ở Việt Nam, trong công nghiệp luyệnkim, phương pháp luyện thép bằng lò hồ quang được dùng tương đối phổbiến, thay thế cho các loại lò điện trở truyền thống

Ngành công nghiệp luyện thép ở nước ta đã có từ lâu nhưng đến naymới thực sự phát phát triển mạnh Việc luyện thép bằng lò điện chiếm ưu thế

rõ rệt do nó có một số ưu điểm mà các lò luyện thép khác không có, dùng lòđiện luyện thép nhất là lò hồ quang, nhiệt độ luyện khi hồ quang cháy rất lớn,thép luyện ra có chất lượng cao, bởi khả năng khử tạp chất của nó rất lớn Lòđiện có thể dùng để luyện kim loại màu, kim loại đặc biệt Dùng lò điện lợi vềkinh tế do giá điện năng giảm nhiều nhờ sự phát triển mạnh mẽ của nghànhđiện lực, đáp ứng mọi nhu cầu sử dụng cho công nghiệp

Các loại lò điện trong ngành luyện kim sử dụng một loại máy biến ápđặc biệt gọi là máy biến áp lò, có hai loại máy biến áp lò là máy biến áp lòdùng cho lò điện trở và máy biến áp lò dùng cho lò hồ quang

Vì phụ tải của lò điện trở thay đổi rất ít, dòng diện cung cấp cho lòtương đối ổn định, hiện tượng ngắn mạch ít xẩy ra nên chế độ làm việc củamáy biến áp lò điện trở ít nặng nề hơn lò hồ quang Do vậy đặc điểm của máybiến áp lò điện trở giống với máy biến áp điện lực thông thường

Máy biến áp dùng cho lò hồ quang có nhiều đặc điểm khác với các loạimáy biến áp điện lực thông thường Trong quá trình làm việc của máy, do đặcđiểm của dòng hồ quang là dòng điện trong chất khí, điện áp rơi trên thân hồquang thấp, dòng điện qua lò hồ quang rất lớn, mặt khác các điện cực của lòcũng thường chạm vào kim loại trong giai đoạn nấu chảy nên hiện tượng ngắnmạch thường xuyên xẩy ra, hiện tượng ngắn mạch này gọi là ngắn mạch làmviệc Vậy trong quá trình làm việc máy biến áp lò thường xuyên phải chịu

dòng điện ngắn mạch làm việc do đó chế độ làm việc của nó nặng nề hơn cácloại máy biến áp khác.

Các nhà máy luyện thép sử dụng nhiều loại lò hồ quang có dung tíchkhác nhau từ vài tấn đến vài chục tấn một mẻ nấu

Với dung tích càng tăng của lò hồ quang đòi hỏi phải có các loại máybiến áp lò có công suất lớn để phù hợp với các loại lò đó

Là một sinh viên của nghành Thiết Bị Điện - Điện Tử, sau khi hoànthành khóa học em được giao nhiệm vụ thiết kế máy biến áp dùng cho lò hồquang luyện thép với công suất của máy biến áp là 10.000 KVA

Để thực hiện đồ án này em đã tìm hiểu về yêu cầu của máy biến áp lòthông qua các quá trình của công nghệ luyện thép

Từ các yêu cầu này và các thông số yêu cầu của máy biến áp, việc thiết

kế máy biến áp lò được tiến hành dựa trên cơ sở của việc thiết kế máy biến ápđiệnlực thông thường, có chú ý đến các yêu cầu đặc biệt đối với các máy biến

áp lò

Việc hoàn thành bản đồ án này là nhờ sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy

giáo, PSG.TS Phạm Văn Bình cùng sự góp ý chỉ đạo của các thầy cô giáo

trong bộ môn

Em xin chân thành cảm ơn!

Mặc dù đã hết sức cố gắng để thực hiện tốt bản đồ án này nhưng do khảnăng và trình độ có hạn nên bản đồ án này chắc chắn sẽ không tránh khỏinhững sai sót Em vô cùng biết ơn sự đóng góp và chỉ đạo quí báu của cácthầy cô giao và các bạn đọc

Hà Nội ngày 29/05/2006 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tùng Lâm

CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU VỀ MÁY BIẾN ÁP LÒ

1.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP

1.1.1 Khái niệm chung

Máy biến áp là một thiết bị biến đổi kiểu cảm ứng có hai hay nhiều dâyquấn đứng yên hỗ cảm với nhau, dùng để biến đổi các thông số điện áp vàdòng điện xoay chiều nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ

Máy biến áp hai dây quấn có thể bao gồm các máy biến áp một pha haynhiều pha có hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp không nối với nhau về mặt điện.Năng lượng điện truyền từ dây quấn này sang dây quấn kia là nhờ sự liên hệvới nhau thông qua từ trường trong máy biến áp

Dây quấn của máy biến áp nhận điện năng từ lưới gọi là dây quấn sơcấp Dây quấn còn lại nhận điện năng từ dây quấn sơ cấp thông qua từ trườngtrong máy biến áp gọi là dây quấn thứ cấp Dây quấn này có thể nối vào lướiđiện hoặc cung cấp trực tiếp cho tải

Máy biến áp là một thiết bị được sử dụng rất rộng rãi, nhờ các máy biến

áp điện năng được mà điện năng được truyền một cách hiệu quả từ nhà máyphát điện đến các hộ tiêu thụ Để giảm tổn hao trên đường dây trong quá trìnhtruyền tải điện năng đi xa, thì điện áp phải được thay đổi qua nhiều cấp do đótổng dung lượng của máy biến áp trong hệ thống điện phải lớn hơn 4-6 lần sovới công suất của lưới

Các máy biến áp được chế tạo theo những điều kiện kỹ thuật hay nhữngyêu cầu của các hệ thống tiêu chuẩn, thực hiện các chức năng hoàn toàn xácđịnh theo sự biến đổi điện năng

1.1.2 Các đại lượng định mức

Các tham số của máy biến áp bao gồm các đại lượng định mức của máynhư sau:

- Dung lượng định mức: Dung lượng định mức của máy biến áp được hiểu

là công suất toàn phần đưa ra từ dây quấn thứ cấp tính bằng KVA hay VA.Trong máy biến áp hai dây quấn dung lượng định mức của hai dây quấn lànhư nhau và bằng dung lượng định mức của máy biến áp

- Điện áp định mức: Các điện áp dây của mỗi dây quấn ở các đầu dây ra ở

chế độ định mức gọi là điện áp định mức của máy biến áp

- Các dòng điện định mức: Là những dòng điện dây của dây quấn sơ cấp và

thứ cấp ứng với công suất và điện áp định mức, nó được tính bằng ampe (A)

hay kiloampe (kA) Đại lượng này được tính theo dung lượng định mức và

điện áp định mức của các dây quấn

I1đm=S1đm/U1đm. 3

I2đm=S2đm/U2đm. 3

- Tần số định mức:Tần số của dòng điện chạy qua MBA gọi là tần số định

mức của máy biến áp, ở nước ta đối với các loại máy biến áp thông thườngtần số này là 50 Hz

Ngoài ra còn có các thông số về điện áp ngắn mạch và dòng điện không tải

1.1.3 Cấu tạo của máy biến áp

Các máy biến áp thông thường có kết cấu chính gần như nhau bao gồm:lõi thép, dây quấn và vỏ máy

- Lõi thép

Lõi thép dùng làm mạch dẫn từ, đồng thời làm khung để quấn dâyquấn Lõi thép có thể là kiểu trụ, kiểu bọc hoặc kiểu trụ bọc

Lõi thép của máy biến áp được chế tạo sao cho dòng xoáy và từ trễ gây

ra tổn hao trong phạm vi cho phép vì vậy nó được ghép từ các lá thép kỹ thuậtđiện có từ tính tốt, suất tổn hao thấp, điện trở suất cao và cách điện với nhau.Việc sử dụng các lá thép để ghép lại thành lõi thép làm xuất hiện khe hởkhông khí trong mạch từ, các khe hở không khí này làm gia tăng một cách

đáng kể tổn hao không tải của máy biến áp Để hạn chế tổn hao này người tagiảm khe hở không khí bằng cách ghép xen kẽ các lá thép.

- Dây quấn

Dây quấn là bộ phận dẫn điện của máy biến áp, làm nhiệm vụ thu năng lượngvào và truyền năng lượng ra Kim loại làm dây quấn thường là đồng Theocách sắp xếp dây quấn cao áp và hạ áp người ta chia ra hai loại chính là dâyquấn đồng tâm và dây quấn xen kẽ, ở các máy biến áp lò công suất lớn người

ta thường thiết kế cuộn dây xen kẽ để tăng điện kháng cho máy biến áp

1.2 GIỚI THIỆU VỀ LÒ HỒ QUANG

Lò hồ quang là loại lò điện sử dụng nhiệt lượng của hồ quang điện làmnguồn nhiệt để nấu chảy kim loại trong quá trình luyện kim

1.2.1 PHÂN LOẠI LÒ HỒ QUANG

Trong công nghiệp luyện kim có nhiều loại lò hồ quang, tùy theo cách phân loại mà ta có các loại sau

- Lò hồ quang trực tiếp: (hình 1.1)

Hồ quang xuất hiện giữa điện cực và bề mặt kim loại cần nấu chảy Loạinày được sử dụng để luyện kim loại có độ nóng chảy cao (thép…) Do điệncực nằm thẳng đứng nên người ta có thể tăng đường kính điện cực (gần nhưkhông hạn chế) để tăng công suất lò Ngoài ra điện cực cũng che một phầnbức xạ nhiệt đến thành lò và nắp lò, làm tăng tuổi thọ lò

- Lò hồ quang gián tiếp: (Hình 1.2)

Hồ quang xuất hiện giữa hai điện cực, nhiệt lượng gián tiếp truyền và kimloại cần nấu chảy Loại này được sử dụng để luyện kim loại có độ nóng chảythấp (đồng, thiếc…) và thường chế tạo với công suất không quá 600 KW Bức

xạ hồ quang làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của lò Trong thực tế không tồn tại lò

hồ quang trực tiếp hay gián tiếp hoàn toàn

-Lò hồ quang nổi và lò hồ quang chìm:

Đặc điểm lò luyện thép và lò luyện kim loại màu bằng lò điện hồ quangcòn phân biệt ở loại hồ quang nổi và hồ quang chìm

Lò luyện thép là loại hồ quang nổi, điện áp thứ cấp (điện áp làm việc)của máy biến áp lò nằm trong khoảng 190 ÷ 350 vôn, khi máy làm việc hayxẩy ra ngắn mạch, để hạn chế dòng điện ngắn mạch người ta thường nối tiếpthêm một kháng điện, kháng điện ngoài nhiệm vụ hạn chế dòng điện ngắn

3 4

5

1 2

6

7

H×nh 1.1 Lß hå quang trùc tiÕp:

1 Cöa rãt kim lo¹i, 2 Kim lo¹i, 3 §iÖn cùc, 4 N¾p lß

5 Cöa n¹p liÖu, 6 Tuêng lß, 7 C¬ cÊu nghiªng lß

1

2

3

4

H×nh 1.2 Lß hå quang gi¸n tiÕp

1 §iÖn cùc, 2 Kim lo¹i nÊu ch¶y,

3 C¬ cÊu quay lß, 4 Hå quang

mạch nó còn giúp ổn định dòng hồ quang (do đặc tính ngoài của máy biến áplúc đó dốc hơn).

Lò luyện kim loại màu là loại hồ quang chìm, điện áp thứ cấp của máybiến áp lò thấp hơn, nằm trong khoảng 50 ÷ 110 vôn, nếu so sánh với máybiến áp lò luyện thép cùng công suất thì dòng điện làm việc (thứ cấp) máybiến áp lò luyện kim màu lớn hơn (do điện áp nhỏ hơn) Do hồ quang cháychìm, có lớp xỉ bề mặt nên điện trở ngắn mạch của lò hồ quang chìm lớn hơn

lò hồ quang nổi vì vậy dòng điện ngắn mạch của lò hồ quang chìm nhỏ hơn sovới lò hồ quang nổi, để hạn chế dòng ngắn mạch người ta thường chỉ cần thiết

kế máy biến áp có điện áp ngắn mạch Un = 12 ÷ 16% và không cần nối tiếpthêm cuộn kháng bên ngoài

Các loại luyện đá mài, đất đèn… bằng lò hồ quang cũng thuộc lò hồ quangchìm

1.2.2 CÁC GIAI ĐOẠN LUYỆN MỘT MẺ THÉP

1.Giai đoạn nạp liệu:

Đưa nguyên liệu đã làm sạch vào lò Máy biến áp chưa làm việc

2.Giai đoại nung nóng liệu và nấu chảy kim loại

Trong giai đoạn này lò cần công suất nhiệt lớn nhất, điện năng tiêu thụchiếm khoảng 60 ÷80% năng lượng toàn mẻ nấu và thời gian của nó chiếmkhoảng 50÷60% toàn bộ thời gian một chu trình

Để đảm bảo công suất nấu chảy, ngọn lửa hồ quang cần phải cháy ổnđịnh Khi cháy điện cực bị ăn mòn dần, khoảng cách giữa điện cực và kimloại tăng lên Để duy trì hồ quang, điện cực phải được điều chỉnh gần vào kimloại Lúc đó dễ xảy ra hiện tượng bị chạm vào bề mặt kim loại-gọi là quá điềuchỉnh và gây ra ngắn mạch làm việc Ngắn mạch làm việc tuy xảy ra trongthời gian ngắn nhưng lại hay xảy ra nên máy biến áp lò thường phải làm việctrong điều kiện nặng nề Đây là đặc điểm nổi bật cần lưu ý khi thiết kế máybiến áp lò và chọn các thiết bị cho lò hồ quang

Ngắn mạch làm việc cũng có thể xẩy ra do sụt lở các thành của hố baoquanh đầu điện cực tạo ra trong liệu Rồi sự nóng chảy của các mẫu liệu cũng

có thể phá huỷ ngọn lửa hồ quang do tăng chiều dài ngọn lửa lúc đó phải hạđiện cực xuống cho chạm kim loại rồi nâng lên để tạo hồ quang

Trong giai đoạn này số lần ngắn mạch làm việc có thể tới 100 lần hoặchơn Mỗi lần xẩy ra ngắn mạch làm việc, công suất hữu ích giảm mạnh và cókhi bằng 0 với mức tổn hao cực đại Thời gian cho phép của một lần ngắnmạch làm việc là 2÷3 s

Tóm lại giai đoạn nấu chảy là giai đoạn hồ quang hồ quang cháy kém

ổn định nhất, công suất nhiệt của hồ quang dao động mạnh và ngọn lửa hồquang rất ngắn, thường từ vài milimet đến 10÷15mm Trong giai đoạn nàycần cung cấp cho lò một công suất lớn nhất

3.Giai đoạn oxy hóa kim loại :

Đây là giai đoạn khử cacbon của kim loại đến một giới hạn nhất địnhtuỳ theo yêu cầu công nghệ, khử P và S, khử khí trong gang rồi tinh luyện Sựcháy hoàn toàn cacbon gây sôi mạnh kim loại Công suất nhiệt trong giai đoạnnày chủ yếu dùng để bù lại các tổn hao nhiệt và nó bằng khoảng 60% côngsuất nhiệt của giai đoạn 2 Hồ quang cháy ổn định, sự ngắn mạch ít xẩy ra

4.Giai đoạn tháo xỉ:

Sau oxy hóa, xỉ được tháo ra ngoài, giai đoạn này máy biến áp khônglàm việc

5.Giai đoạn hoàn nguyên:

Giai đoạn này hồ quang chỉ duy trì để giữ nhiệt độ khử bởi oxy, lưuhuỳnh…trong thép và chuẩn bị cho thép ra lò Công suất sử dụng vào cỡ 50%công suất cực đại Mặt kim loại bằng phẳng ít xẩy ra ngắn mạch trong giaiđoạn này

Quá trình một mẻ luyện được biểu diễn trên hình vẽ 1.3, trong đó:Trục t biểu diễn thời gian của các giai đoạn nấu luyện

Trục P biểu diễn tỉ số công suất đưa vào lò và công suất cực đại ở giai đoạn 2

t

1 0,6-0,8 0,5-0,6

H×nh 1.3 Qu¸ tr×nh mét mÎ nÊu cña lß hå quang

1.3 ĐẶC ĐIỂM CỦA MÁY BIẾN ÁP LÒ HỒ QUANG

Máy biến áp lò là loại máy biến áp đặc biệt được dùng trong công nghiệpluyện kim Phụ tải của máy biến áp lò là lò hồ quang hoặc lò điện trở

Lò điện trở là loại lò điện truyền thống, có công suất nấu luyện nhỏ, hiệusuất thấp, ngày nay ít được sử dụng và chủ yếu dùng cho sản xuất thủ côngvới công suất nhỏ Phụ tải của lò điện trở ít thay đổi, nên máy biến áp dùngcho lò điện trở thường không có yêu cầu về thay đổi điện áp, hiện tượng ngắnmạch cũng ít xẩy ra do đó nó làm việc ít nặng nề hơn lò hồ quang Đặc điểmcủa máy biến áp lò điện trở giống với máy biến áp điện lực thông thường Máy biến áp lò hồ quang phải làm việc trong các điều kiện đặc biệt nặng

nề về điện do đó nó có một số đặc điểm riêng cần lưu ý khi thiết kế để phùhợp với các chế độ làm việc của lò hồ quang

- Máy biến áp phải có điện áp ngắn mạch lớn để hạn chế dòng ngắn mạchdưới (2,5÷4)Iđm Đối với lò luyện thép, do tổng trở ngắn mạch (điện cực -thép) nhỏ, để hạn chế dòng ngắn mạch thường phải chế tạo thêm kháng điệnnối tiếp với máy biến áp khi lò ở giai đoạn nấu chảy, hết giai đoạn này khángđiện bị loại bỏ

- Máy biến áp phải có độ bền cơ đủ chịu lực điện động khi có ngắn mạchxẩy ra

- Máy biến áp phải được làm mát tốt vì đặt trong nhà, gần lò, nhiều bụi vànóng.

- Máy biến áp phải có khả năng điều chỉnh điện áp trong một giới hạnrộng để thích ứng việc điều chỉnh công suất cấp cho lò hồ quang trong từnggiai đoạn nấu luyện Người ta thường điều chỉnh điện áp bằng các biện phápsau đây:

Đổi nối Y-∆ dây quấn sơ cấp

Thay đổi số vòng dây của dây quấn sơ cấp (bằng hệ thống chuyển mạch)Dùng biến áp tự ngẫu

- Máy biến áp phải được chế tạo lớn hơn máy biến áp điện lực cùng côngsuất để thích ứng với điều kiện thường xuyên phải làm việc quá tải

- Máy biến áp có dòng làm việc (dòng thứ cấp) rất lớn nên dây quấn thứcấp của máy thường được phép song song từ nhiều sợi, do đó để thuận tiệncho việc đưa đầu dây thứ cấp lên mặt máy theo kinh nghiệm ta bố trí xen kẽcác cuộn dây sơ cấp và thứ cấp

- Cũng do dòng điện làm việc của máy biến áp rất lớn nên nhằm mục đíchgiảm dòng điện chạy trong cuộn thứ cấp, cuộn thứ cấp thường được đấu hìnhtam giác

- Máy biến áp được chế tạo theo đơn đặt hàng theo từng loại lò, chế tạođơn chiếc

- Giá thành máy biến áp lò cao hơn giá thành máy biến áp điện lực cùngcông suất

1.4 CÔNG SUẤT VÀ ĐIỆN ÁP LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP LÒ

1.4.1 Kim loại màu

-Nếu lò được thiết kế thời gian nấu một mẻ là 24 giờ, thì năng suất một mẻ quan hệ với công suất tiêu thụ theo công thức:

B(tấn/mẻ) =

1 2.cos

A

ϕ

S - công suất máy biến áp lò (kVA); cosϕ = 0,75÷0,85

W

S ϕn là hệ số sử dụng công suất, W - năng lượng tiêu hao thực

S.cosϕ.n năng lượng tính toán: -Hệ thống điều khiển hoàn thiện k1 =1

-Hệ thống bán tự động k1=0,9n- số giờ một mẻ nấu (24 giờ)

A- suất tiêu hao năng lượng trên một tấn sản phẩm

Luyện thiếc hiện đại A=900-1100 kWh/1tấn

Luyện thiếc bán tự động A=2100 kWh/1tấn

-Nếu biết năng suất của lò có thể tìm ra công suất của máy biến áp theo công

Chọn điện áp làm việc hợp lý tạo điều kiện cho chế độ nấu luyện ổn định.Điện áp Utt tính theo công suất một pha của máy biến áp theo công thức:

Utt = k.Sn Trong đó:

Utt (vôn)

S (kVA) - công suất một pha của máy biến áp

Với lò luyện thiếc, n=0,325 k=21

Điện áp làm việc của máy biến áp không thay đổi trong khoảng:

U2=(0,5÷1,15) Utt-Số nấc điện áp phụ thuộc vào công nghệ luyện kim

1.4.2 Luyện thép

Theo ΓOCT 7206-54 và 7207-54 quan hệ giữa dung tích lò, công suấtmáy biến áp, điện áp làm việc của máy biến áp và số nấc điều chỉnh đượcthống kê trong bảng dưới đây(Bảng 22-2 tài liệu 1)

Đối với máy biến áp nhỏ dùng cho các loại lò có dung tích 0,5; 1,5; 3tấn, do điều kiện tự động hóa còn hạn chế, máy biến áp làm việc nặng nề hơn,thường chọn công suất máy biến áp tăng từ 20%÷40% công suất tính toán.

Dung tích lò

Tấn/mẻ

S tính toán kVA

6-10 6-10 6-10 6-10 6-10 6-10 35 35

212-110 224-116 245-121 260-116 280-116 320-116 360-127 420-133

2-4 2-4 4-5 8 8 8

≥ 12

≥ 12

Chọn 500-600kVA 1200-1400 kVA

Đối với máy biến áp lò có công suất 10.000 kVA, điện áp sơ cấp 10 kV Theothống kê ở bảng trên ta thiết kế phía hạ áp có 8 cấp điện áp, dải điều chỉnh điện áp 120÷320V

1.5 TÍNH CHỌN ĐIỆN KHÁNG CHO MÁY BIẾN ÁP

Độ lớn của kháng điện tùy thuộc công suất lưới điện và công suất máybiến áp Để hạn chế dòng điện ngắn mạch làm việc của máy biến áp nhỏ hơn(2,5÷4)Iđm thì tổng điện áp ngắn mạch của máy biến áp, của kháng điện và củamạng phải nằm trong khoảng 25% đến 40%

Khi thiết kế máy biến áp người ta thấy điện áp ngắn mạch của nó nằmtrong khoảng 7÷10% là thuận lợi cho việc thiết kế nhất Vì vậy tổng điện ápngắn mạch của kháng điện và của lưới phải bằng khoảng 30÷33%

Các loại máy biến áp công suất nhỏ sử dụng lưới điện có điện áp ngắnmạch nhỏ do vậy cần điện kháng có điện áp ngắn mạch lớn đến 20÷25%, còncác loại máy biến áp có công suất lớn đến 15.000÷20.000 kVA do điện áp

ngắn mạch của lưới rất lớn nên không cần dùng điện kháng để hạn chế dòngngắn mạch mà chỉ cần chế tạo máy biến áp có điện áp ngắn mạch khoảng8÷10% là được.

Sau đây là bảng thống kê điện áp ngắn mạch của máy biến áp,của điệnkháng và của mạng điện theo công suất của máy biến áp.(Bảng 22-1 tài liệu 1)

7~10 7 25

7~10 10 18

6~8 12 15

>8~10 16 10

8~10 25 5

8~10 30 -

8~10 32,5 -

Với máy biến áp công suất 10.000 kVA theo thống kê ở bảng trên ta chọnmáy biến áp có un = 8%, kháng điện có điện áp ngắn mạch là 5%

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN CÁC KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU CỦA

MÁY BIẾN ÁP

2.1 CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU

• Công suất định mức: S= 10.000 KVA

• Kiểu máy: Ba pha ba trụ, ngâm dầu, làm lạnh bằng đối lưu tự nhiên

2.2 TÍNH CÁC ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN

Dựa vào nhiệm vụ thiết kế trước hết xác định các đại lượng cơ bản sau đây:

Dung lượng mỗi trụ của lõi thép.

Điện áp thử dây quấn:

Để xác định khoảng cách cách điện giữa các dây quấn, các phần dẫn điệnkhác và các bộ phận nối đất của máy biến áp cần phải biết các trị số điện ápthử của chúng Dựa theo cấp điện áp của dây quấn chọn điện áp thử tươngứng

Theo bảng 14-5 trang 105 tài liệu 1 ta có:

- Điện áp thử dây quấn cao áp có điện áp làm việc 10KV

S : dung lượng máy biến áp (kVA)

Thay số vào ta được

2.3 THIẾT KẾ SƠ BỘ LỖI SẮT VÀ TÍNH TOÁN CÁC KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU CỦA MÁY BIẾN ÁP.

2.3.1 Thiết kế sơ bộ lõi sắt.

Lõi sắt của máy biến áp gồm hai bộ phận chính, trụ và gông Lõi sắt làphần mạch từ của máy biến áp do đó thiết kế nó cần phải làm sao cho tổn haochính cũng như tổn hao phụ nhỏ, dòng điện không tải nhỏ, trọng lượng tônsilic ít và hệ số điền đầy của lõi sắt cao Mặt khác lõi sắt còn làm khung màtrên đó để nhiều bộ phận quan trọng của máy biến áp như dây quấn, giá đỡdây dẫn ra Hơn nữa, lõi sắt có thể chịu những lực cơ học lớn khi dây quấn bịngắn mạch Vì vậy yêu cầu thứ hai của lõi sắt là phải bền và ổn định về cơkhí

Để tăng hệ số lợi dụng lõi thép và tiết kiệm dây quấn thì trụ được làm

từ lá thép kỹ thuật điện ghép lại thành hình bậc thang vì vậy lá thép dùng đểlàm trụ gồm nhiều thếp có kích thước khác nhau Số bậc thang của trụ càngnhiều thì tiết diện trụ càng gần tròn, nhưng số tập lá thép càng nhiều, nghĩa là

số lượng các lá tôn có kích thước khác nhau càng nhiều làm cho quá trình chếtạo lắp ráp lõi thép càng phức tạp

Để đảm bảo được đường kính tiêu chuẩn, kích thước lá thép từng tệptrong trụ và số bậc của trụ cũng được tiêu chuẩn hóa

Ép trụ có rất nhiều cách, tùy theo công suất và đường kính trụ máy biến

áp Để giảm tổn hao trong mạch từ và đảm bảo cho mạch từ chắc chắn và lực

ép phân bố đều trên lõi thép ta dùng băng vải thủy tinh

2.3.2 Tính toán lựa chọn phương án.

Hình 2.1: Kích thước cơ bản và khoảng cách

cách điện chính của máy biến áp.

Trên hình 2.1:

D: đường kính trụ sắt

lv: chiều cao dây quấn

Ds: đường kính trung bình của dây quấn

D s D

Trong tính toán thiết kế máy biến áp khi xác định được các kích thước

cơ bản trên thì ta xác định được các kích thước khác cũng như hình dáng củamáy biến áp Có nhiều phương pháp để tìm hình dáng tối ưu của máy biến áp,trong số đó ta sử dụng phương pháp hệ số hình dáng β của học giả Tihomirov.Trị số β dùng để chỉ quan hệ giữa đường kính trung bình của các dây quấn Dsvới chiều cao của nó lv:

s v

.D l

π

β = Với máy biến áp thường trị số này biến thiên trong khoảng rộng 1,0 đến 3,6.Với máy biến áp lò β=1,6÷2 và ảnh hưởng rất lớn tới đặt tính kỹ thuật và kinh

tế của máy biến áp

2.3.2.1 Chọn các số liệu xuất phát và tính các kích thước chủ yếu.

Các số liệu xuất phát được chọn theo điện áp thử của các cuộn dây cao áp và

- Hệ số qui đổi từ trường tản: kr qui đổi từ trường tản thực tế về từ trường tản

lý tưởng hệ số này thay đổi rất ít trong tính toán sơ bộ ta chọn kr =0,95-Theo (20-41d) tài liệu 1 chọn tỉ số δ=Ds/D=1,4

-Theo (20-41e) tài liệu 1 chọn b=2.∆2/D=0,25

2.3.2.2 Chọn vật liệu.

Chọn tôn cán lạnh mã hiệu 3404 dày 0,35mm của cộng hòa liên bang Nga,

mật độ từ cảm Bt=1,62T

Chọn số bậc của trụ là 9 bậc, của gông ít hơn trụ một bậc, tấc là 8 bậc, tiết

diện của gông lớn hơn của trụ với hệ số kG=

G t

S

S =1,03.

Do đó BG=

, ,

1 62

1 03 =1,57T

Suất tổn hao sắt trong trụ và gông: Đối với tôn cán lạnh 3404 dày 0,35mm

Tra bảng 44-1b trang 592 tài liệu 1 ta có:

pt = 1,353(W/Kg); qt=1,958(Var/Kg);

pG=1,230(W/Kg); qG=1,625(Var/Kg);

2.3.2.3 Các khoảng cách cách điện chính

Dựa vào điện áp thử của cuộn cao áp và cuộn hạ áp, đối với dây quấn xen

kẽ tra bảng 10 trang 12 tài liệu 3 ta có các khoảng cách cách điện chính

- Trụ và dây quấn e=25mm

- Giữa dây quấn cao áp và hạ áp ∆=16mm

- Từ dây quấn đến đến gông d=40mm

- Khoảng cách giữa các dây quấn của các pha cạnh nhau c=20mm

2.3.2.4 Thiết lập công thức tính khối lượng vật liệu tác dụng.

Xuất phát từ công thức tính đường kính trụ (20-40) tài liệu 1:

- Đối với máy biến áp thiết kế thì St, unx, f đã biết

- Từ cảm Bt được chọn tương ứng với mã hiệu thép được chọn

- Các hệ số kld, kr,, ar hầu như thay đổi rất ít Vậy trong biểu thức đường kính

D chỉ còn lạiβ là biến đổi trong phạm vi rộng quyết định sự thay đổi của

Tìm hình dáng tối ưu của máy biến áp tức là tìm β để cho máy biến áp cóchi phí vật liệu tác dụng thấp nhất mà vẫn thoả mãn được các chỉ tiêu kỷthuật

2.3.2.4.1 Khối lượng vật liệu tác dụng của máy biến áp

a) Khối lượng tác dụng của lõi sắt

Lõi sắt gồm hai phần trụ và gông Căn cứ vào kích thước hình học của nó,biết khối lượng riêng của sắt ta tính được khối lượng của nó

-Khối lượng trụ: Theo công thức (20-41a) tài liệu 1 ta có:

2.3.2.5 Tính các hệ số

Hệ số lợi dụng lõi thép: kld=kp.kc, với kp=

t k

S S

Trong đó St là tiết diện hình bậc thang của trụ, Sk là tiết diện của hình tròn cóbán kính Dt của trụ Với trụ có 9 cấp, tra bảng 13.2 tài liệu 4 ta có kp=0,929

2.3.2.8 Tổn hao không tải: xác định theo công thức (20-45) tài liệu 1

Qc là công suất tổn hao chung của trụ và gông

2.3.2.10 Dòng điện không tải

- Dòng điện không tải tác dụng

ior=

o

P S

10 %

- Dòng điện không tải phản kháng

i0x= S

Q

10

Dựa vào kết quả của bảng trên ta thấy: Với các giá trị của β đã chọn thì P0 và

i0% đều thoã mãn yêu cầu thiết kế:P0<13.000W; io%<2% Nhưng để chi phívật liệu tác dụng nhỏ nhất thì ta chọn β nằm trong khoảng từ 1,8÷2,2 Để thấy

rõ hơn điều này ta vẽ các quan hệ P0=f(β), i0%=f(β),C’td=f(β) trên các hình 2.2

H×nh 2.2 C¸c quan hÖ gi÷a tæn hao

H×nh 2.3 Quan hÖ gi÷a chi phÝ vËt liÖu t¸c dông víi β

2,01,8

Để thuận lợi cho việc tiêu chuẩn hoá các lá thép, theo kinh nghiệm khi thiết

kế máy biến áp lò người ta thường chọn β=1,8

Theo hình 2.3 chi phí vật liệu tác dụng nhỏ nhất khi β≈2,0, nhưng với β nằmtrong khoảng 1,8÷2,2 thì chi phí vật liệu tác dụng cũng thay đổi không đáng

kể Vậy ta có thể chọn β=1,8 để phù hợp với kinh nghiệm thiết kế máy biến

s

.D ,

, cm ,

3.1.CÁC YÊU CẦU CHUNG ĐỐI VỚI DÂY QUẤN

Yêu cầu chung về dây quấn có thể chia thành hai loại yêu cầu đó là yêucầu về vận hành và yêu cầu về chế tạo

do hiện tượng quá điện áp của lưới điện Dây quấn cũng phải chịu được dòngđiện ngắn mạch thường xuyên xẩy ra.

b) Về mặt cơ học

Dây quấn không bị biến dạng hoặc hư hỏng dưới tác dụng của lực cơ học

do dòng điện ngắn mạch gây nên

c) Về mặt chịu nhiệt

Khi vận hành bình thường cũng như trong trường hợp ngắn mạch,trong một thời gian nhất định, dây quấn không được nóng quá nhiệt độ chophép Vì lúc đó chất cách điện sẽ bị nóng qúa mà chóng hư hỏng hoặc bịgià hóa làm cho nó mất tính đàn hồi, hóa giòn và mất tính chất cách điện

3.1.2 Yêu cầu về chế tạo

Yêu cầu sao cho kết cấu đơn giản, tốn ít nguyên liệu và nhân công, thờigian chế tạo ngắn và giá thành hạ nhưng vẫn đảm bảo được các yêu cầu về mặt vận hành

3.2 THIẾT KẾ DÂY QUẤN HẠ ÁP

3.2.1 Lựa chọn kết cấu dây quấn hạ áp

Việc lựa chọn kết cấu dây quấn kiểu nào là phải tùy thuộc vào yêu cầu

về vận hành và chế tạo trong nhiệm vụ thiết kế Những yêu cầu chính là: đảmbảo độ bền về mặt điện, cơ, nhiệt, đồng thời chế tạo đơn giản và rẻ tiền

Đối với máy biến áp lò có công suất lớn, để thuận lợi cho việc lấy đầudây ra người ta thường bố trí xen kẽ cuộn dây sơ cấp và thứ cấp, cuộn dây xen

kẽ còn có một số đặc điểm phù hợp với máy biến áp lò như: tản nhiệt tốt, điệnkháng tản lớn, lực hướng tâm trong trường hợp ngắn mạch nhỏ do vậy đối vớimáy biến áp đang thiết kế ta chọn kiểu dây quấn xen kẽ

Vì máy biến áp lò có điện áp sơ cấp nhỏ (10KV) mà khoảng cách cáchđiện lớn nên để dễ bố trí phần dây quấn điều chỉnh điện áp và sắp xếp dây dẫn

ra ta có thể bố trí cuộn cao áp ở gần xà mà vẫn đảm bảo cách điện giữa cuộncao áp và xà Phần dây quấn trên 1 trụ được chia làm 6 nhóm xen kẽ như hình

vẽ 3.1

Thø cÊp

Thø cÊp

Thø cÊp S¬ cÊp

S¬ cÊp

S¬ cÊp

S¬ cÊp

H×nh 3.1

Bè trÝ xen kÏ d©y quÊn

3.2.2 Tính toán dây quấn hạ áp

Điện áp vòng sơ bộ tính theo công thức (4) trang 14 tài liệu 3

, f S , ,

53 333

4 44 4 44 50 0 1450 =1,6621 T≈1,66TChọn mật độ dòng điện σ2=2,8 A/mm2

f

, mm ,

2 2

2

10416 7

3720 25

2 8

Chọn kiểu dây quấn xoắn ốc liên tục từ dây dẫn chữ nhật, dùng 4 sợi ghép song song.

Dây quấn hạ áp được chia thành 3 nhóm, mỗi nhóm 6 cặp galét, cách nối các cặp bánh dây mỗi nhóm được mô tả trong hình 3.2 và cách nối các nhóm

được mô tả trong hình 3.3 Hình 4.4 là bánh dây kép hạ áp

Tiết diện thực của dây quấn hạ áp là: s2=4.6.3.50,4=3628,8 mm2

, x9,3 x9,8

5 56

1 2 3 4 5 6

H×nh 3.3

Nèi c¸c nhãm trong d©y quÊn HA

H×nh 3.4

B¸nh d©y kÐp h¹ ¸p

a 2 =55,2

Mật độ dòng điện thực A/mm2

Chiều cao hướng trục của một nhóm hạ áp

Chiều cao phần dây quấn : 2.6.9,8=117,6mm

Khoảng cách giữa 2 galét: (2.6-1).hr=11.5=55mm

Tổng chiều cao một nhóm: 117,6+55=172,6mm

hr là chiều cao rãnh dầu làm mát giữa các galét, chọn hr=5mm

Tổng chiều cao của ba nhóm hạ áp 172,6.3=517,8mm

Bề dày của dây quấn hạ áp: đối với dây quấn xoắn ốc liên tục ta có

Khối lượng dây quấn hạ áp

Theo công thức 4.4b tài liệu 2 ta có

2

10416 7

2 87

3628 8

Trong đó k=0,75 là hệ số kể đến sự che khuất bề mặt dây quấn do que nêm vàcác chi tiết cách điện khác

3.3 THIẾT KẾ DÂY QUẤN CAO ÁP

Sơ đồ điều chỉnh điện áp.

Như đã trình bày ở phần đầu (chương 1), quá trình luyện thép bằng lò hồquang trải qua nhiều giai đoạn khác nhau, ứng với mỗi giai đoạn đó công suấtcủa máy biến áp lò khác nhau, để thay đổi công suất ra của máy biến áp taphải thay đổi điện áp thứ cấp của máy biến áp cho phù hợp với từng giai đoạnnấu luyện

Do máy biến áp lò có dòng điện rất lớn nên việc điều chỉnh dưới tải là rấtkhó thực hiện, mặt khác hồ quang dễ dàng được mồi lại khi nhiệt độ lò đangcao do đó việc điều chỉnh điện áp của máy biến áp lò thường là điều chỉnhkhông điện

Trong sơ đồ điều chỉnh điện áp ở hình 3.5 dưới đây ta điều chỉnh điện ápthứ cấp bằng cả hai cách là: đổi nối ∆-Y và thay đổi số vòng dây cuộn sơ cấp.Cuộn kháng chỉ được sử dụng khi sơ cấp nối ∆, còn khi sơ cấp nối Y cuộnkháng được loại khỏi hệ thống

Hoạt động của sơ đồ điều chỉnh điện áp hình 3.5 được mô tả ở bảng sau.

dây

Cuộn dây cao thế

Cuộn kháng

Số vòng cao thế

Điện áp thứ cấp

Theo bảng trên thì số vòng của dây quấn cao áp là W1=266 vòng

Số vòng dây của các cuộn dây.

Cuộn dây F =188 vòng

Cuộn dây E=24 vòng

Cuộn dây G=55 vòng

Chọn mật độ dòng điện trong dây quấn cao áp là σ1=3,2 A/mm2

Tiết diện dây quấn cao áp

Thực hiện dây quấn xoắn ốc liên tục bằng dây dẫn chữ nhật, để dễ bố trí sao cho chiều rộng hướng kính của cuộn cao áp bằng cuộn hạ áp ta chọn dây quấncao áp và hạ áp cùng loại Số sợi chập của dây quấn cao áp là 2 sợi

333 3

104 15

3 2

, x9,3 x

x9,8

5 526

1

333 3

3 3

100 8

14 galét loại 6 vòng =84vòng

2 galét loại vòng =10 vòng

Tổng cộng =2.(84+10)=188 vòng

Cuộn dây E được quấn thành 4 galét, mỗi galét 6 vòng

Cuộn dây G được chia thành 9 galét, mỗi galét 6 vòng

Tổng số vòng dây cuộn cao áp W1=188+4.6+9.6=266 vòng

Vậy cuộn cao áp có tất cả 45 galét được chia thành 4 nhóm như hình 3.6, nhóm giữa là hai cuộn điều chỉnh E và G, nhóm trên và dưới là của cuộn F

Chèn thêm cách điện dày 9,2mm vào các galét có 5 vòng dây để có các galét

có cùng chiều dày theo phương bán kính

Chiều cao hướng trục các nhóm cao áp:

-Cuộn dây F:

Khoảng cách giữa hai galét 30.5=150mm

Tổng chiều cao cuộn dây F 313,6+150=463,6mm

-Cuộn dây E:

Khoảng cách giữa hai galét 3.5=15mm

Tổng chiều cao cuộn dây E 39,2+15=54,2mm

4x6

9x6

2x5 14x6

H×nh 3.6

Bè trÝ cuén cao ¸p

Phần dây quấn 9.9,8=88,2mm

Khoảng cách giữa hai galét 8.5=40mm

Chọn khoảng cách giữa các nhóm cao áp và hạ áp xen kẽ là ∆=16mm

Khối lượng dây quấn cao áp

Theo công thức 4.4b tài liệu 2 ta có

Bề mặt làm lạnh của dây quấn cao áp

Theo công thức (3-71a) tài liệu 2