Thiết kế máy điện máy biến áp

Để làm được điều đó, trong thiết kế và chế tạo MBA ta phải không ngừng cải tiến, tìm ra những vật liệu mới tốt hơn, thay đổi kết cấu mạch từ hợp lí, tăng trình độ công nghệ… Ngày nay, m

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÀI TẬP LỚN

THIẾT KẾ MÁY ĐIỆN

HÀ NỘI Tháng 07 năm 2016

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 3

PHẦN I : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 4

VÀ MÁY BIẾN ÁP ĐIỆN LỰC 4

CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MBA 4

I Quá trình hình thành và phát triển máy biến áp: 4

II MBA và các thông số đặc trưng: 6

1 Khái niệm về MBA: 6

2 Nguyên lý cơ bản của MBA: 6

3 Các thông số đặc trưng của MBA: 8

3.1 Dung lượng hay công suất định mức S đm : 8

3.2 Điện áp định mức: 8

3.3 Dòng điện định mức: 8

3.4 Hệ số biến áp: 8

3.5 Điện áp ngắn mạch: 8

3.6 Dòng không tải: 8

3.7 Tổ nối dây: 9

III Phân loại MBA: 10

1 Máy biến áp điện lực: 10

1.1 MBA dầu: 10

1.2 MBA khô: 11

2 Máy biến áp chế tạo theo mục đích sử dụng: 11

2.1.MBA đo lường: 11

2.2 MBA làm việc ngắn mạch: 11

2.3 MBA hàn: 12

2.4 MBA lò: 12

2.3 MBA tự ngẫu: 12

CHƯƠNG II : CẤU TẠO CHUNG MBA ĐIỆN LỰC 13

I Lõi thép 13

1 Các loại thép kỹ thuật điện dùng trong chế tạo MBA 13

2 Lõi thép 15

2.1 Các loại lõi thép : 15

2.2 Lắp ghép mạch từ: 15

1 Các loại dây dẫn dùng làm dây quấn : 17

2 Các phương pháp quấn dây: 17

2.1.1 Dây quấn lớp dây dẫn tiết diện chữ nhật: 17

2.1.3 Kiểu quấn xoáy ốc liên tục: 18

2.1.4 Dây quấn hình xoắn: 19

2.2 Dây quấn xen kẽ: 20

PHẦN II : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHI TIẾT MBA 21

CHƯƠNG I : TÍNH TOÁN CÁC KÍCH THƯỚC THỦ YẾU 22

I Các đại lượng điện cơ bản của MBA: 22

1 Công suất trên mỗi pha và mỗi trụ của MBA: 22

2 Dòng điện dây định mức của MBA: 22

3 Điện áp pha định mức: 22

4 Dòng điện pha định mức: 22

5 Các thành phần điện áp ngắn mạch: 22

6 Điện áp thử của các cuộn dây: 23

II Chọn các số liệu xuất phát để thiết kế sơ bộ lõi thép: 24

1 Lõi thép MBA: 24

2 Vật liệu chế tạo lõi thép: 24

3 Suất tổn hao và suất từ hoá trong trụ và gông: 24

4 Chiều rộng quy đổi của rãnh từ trường tản a r : 25

5 Chọn cách điện: 25

III Xác định các kích thước chủ yếu: 25

1 Công suất trên một trụ của MBA: 27

2 Trọng lượng tác dụng của MBA: 28

2.1 Trọng lượng tác dụng của lõi thép: 28

2.2 Trọng lượng dây quấn đồng: 30

2.3 Tính toán giá thành vật liệu tác dụng nói chung của MBA: 31

2.4 Tổn hao không tải của MBA: 32

2.5 Thành phần phản kháng của dòng không tải: 32

2.6 Mật độ dòng điện trong dây quấn: 33

3 Các kích thước chủ yếu: 34

3.1 Đường kính trụ sắt: 34

3.3 Chiều cao dây quấn: 34

LỜI NÓI ĐẦU

Trong giai đoạn hiện nay, khi đất nước đang hội nhập với thế giới, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của cơ sở hạ tầng kỹ thuật, nhu cầu sử dụng điện năng ngày càng tăng Do đó việc truyền tải và phân phối điện năng ngày càng có ý nghĩa hơn bao giờ hết Và vai trò của máy biến áp trong hệ thống điện ngày càng được nâng cao

Máy biến áp điện lực là một bộ phận rất quan trọng trong hệ thống điện Việc tải điện năng đi xa từ nhà máy điện đến hộ tiêu thụ trong các hệ thống điện cần phải có rất nhiều lần tăng giảm điện áp Do đó tổng công suất đặt của các MBA lớn hơn nhiều lần so với công suất máy phát

Khuynh hướng phát triển của ngành chế tạo MBA điện lực hiện nay là tăng được giới hạn về công suất cũng như cấp điện áp sử dụng, ngoài ra còn mở rộng thang công suất của MBA thành nhiều dãy để đáp ứng một cách rộng rãi nhu cầu sử dụng và vận hành Để làm được điều đó, trong thiết kế và chế tạo MBA ta phải không ngừng cải tiến, tìm ra những vật liệu mới tốt hơn, thay đổi kết cấu mạch từ hợp lí, tăng trình độ công nghệ…

Ngày nay, máy biến áp dầu được sử dụng một cách rộng rãi trong hệ thống điện Với việc dùng dầu để làm mát và đồng thời làm chất cách điện, máy biến áp dầu giúp làm mát tốt hơn, giảm được kích thước so với máy biến áp khô, đặc biệt là những máy biến áp công suất lớn

PHẦN I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP

VÀ MÁY BIẾN ÁP ĐIỆN LỰC

* * * CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MBA

I Quá trình hình thành và phát triển máy biến áp:

MBA đã có một lịch sử phát triển khá lâu đời, gắn liền với sự ra đời của điện xoay chiều và nhu cầu truyền tải điện năng Có thể nói việc phát minh ra MBA như hiện nay liên quan đến thí nghiệm đóng ngắt cuộn Ruhmkorff của Elih – Thomson Khoảng năm 1878-1879 Iabloskov từ nguyên lý cảm ứng điện từ đã dùng hai cuộn dây quấn trên một lõi thép hở và dùng quan hệ điện từ để làm một nguồn điện chiếu sáng Đó được coi là MBA nguyên thuỷ đầu tiên Lịch sử MBA bắt đầu từ đó Năm 1885 MBA một pha có lõi thép khép kín ra đời

Năm 1889 MBA ba pha đầu tiên xuất hiện

Năm 1891 tại Thuỵ sĩ MBA ngâm dầu đầu tiên xuất hiện sau đó tại Anh hãng Ferrant đã chế tạo được MBA có công suất 111.9kVA kiểu bọc, điện áp 10/0,4 kV MBA chỉ thực sự phát triển mạnh sau khi tôn silic ra đời năm 1901 Tôn silic có

từ tính rất tốt và có tổn hao nhỏ Sự ra đời của tôn silic đã giúp MBA giảm được kích thước và tăng được hiệu suất lên rất nhiều

Năm 1901 xuất hiện MBA điện áp 110 kV

Năm 1921 xuất hiện MBA 220 kV

Năm 1927 xuất hiện MBA điện áp 287,5 kV

Hiện nay đã có nhiều đường dây xoay chiều ba pha 500, 750, 1150 kV Nhiều nước đã nối hệ thống điện lực quốc gia thành hệ thống điện lực quốc tế

MBA điện lực là một bộ phận rất quan trọng trong hệ thống điện lực Việc truyền tải điện năng đi xa từ nhà máy đến hộ tiêu thụ trong các hệ thống điện hiện nay cần phải có tối thiểu 4 – 5 lần tăng giảm điện áp Do đó tổng công suất đặt (hay dung lượng) của MBA lớn gấp nhiều lần công suất của máy phát điện Hiệu suất của MBA thường rất lớn (98 - 99%) nhưng do số lượng MBA nhiều nên tổng tổn hao trong hệ thống cũng rất đáng kể, vì thế cần phải chú ý đến việc giảm các tổn hao ngắn mạch cũng như các tổn hao không tải trong MBA Để giải quyết vấn đề

này hiện nay trong nghành chế tạo MBA chủ yếu dùng tôn cán lạnh do có phẩm chất từ không đẳng hướng – dẫn từ định hướng – có suất tổn hao và công suất từ hoá thấp, hay đặc biệt thấp Mặt khác còn thay đổi các kết cấu mạch từ một cách thích hợp như ghép mối nghiêng, hoặc ghép step lap các lá tôn trong lõi thép Thay các kết cấu bulông ép trụ và gông xuyên lõi thép bằng các vòng đai ép gông chữ U hay đai thuỷ tinh Dùng những công nghệ mới về cắt dập lá thép tụ động, về ủ lá thép, khử bavia, về lắp ráp, v.v… Nhờ vậy mà công suất và điện áp của các MBA

đã được nâng lên rõ rệt Hiện nay người ta đã chế tạo được những MBA có dung lượng lên đến trên 1000 MVA điện áp đến 1150 KV đối với MBA dầu và trên 3000 KVA điện áp tới 35 KV đối với MBA khô

Đi đôi với việc tăng giới hạn về công suất, người ta cũng mở rộng thang công suất của MBA làm nhiều dãy (hay gam) máy hơn so với trước kia để đáp ứng một cách rộng rãi với nhu cầu sử dụng và vận hành MBA Những dãy MBA mới ra đời

từ những năm 80 trở lại đây đã dần dần thay thế những MBA thuộc dãy cũ không còn thích hợp nữa

Để đảm bảo chất lượng điện và cung cấp điện liên tục, các MBA điều chỉnh điện

áp dưới tải ngày càng nhiều và chiếm tới khoảng 50% công suất tổng

Để tiết kiệm vật liệu tác dụng, vật liệu cách điện, vật liệu kết cấu và giảm trọng lượng, kích thước máy, ngoài việc dùng MBA tự ngẫu thay cho MBA hai dây quấn người ta còn áp dụng các biện pháp làm mát bằng dầu hay không khí được tốt hơn, dùng những vật liệu kết cấu không từ tính nhẹ và bền hơn Khuynh hướng dùng dây nhôm hoặc tấm nhôm mỏng thay cho dây đồng cũng đang phát triển Vì nhôm nhẹ hơn đồng, giá thành lại rẻ hơn và dễ kiếm hơn đồng Các MBA cỡ lớn và trung bình thường sản xuất loại ba pha ghép thành tổ hợp MBA ba pha để thuận tiện cho việc chuyên chở

Ở nước ta sau ngày giải phóng miền Bắc mới có một vài cơ sở thiết kế và chế tạo MBA và đặc biệt là sau khi thống nhất đất nước nhiều nhà máy chế tạo MBA mới

đã được xây dựng Tuy vậy chúng ta đã tiến hành sửa chữa, thiết kế chế tạo được một khối lượng khá lớn MBA phục vụ cho nhiều cơ sở sản xuất trong nước và MBA của ta cũng đã được xuất khẩu sang một số nước Nhà máy chế tạo biến thế

phân phối, điện áp tới 35 kV Nhà máy thiết bị điện Đông Anh đã thiết kế chế tạo MBA truyền tải có công suất tới 330 MVA, điện áp 220 kV Đó là những cố gắng

và tiến bộ của ngành chế tạo MBA nước ta

II MBA và các thông số đặc trưng:

1 Khái niệm về MBA

MBA là một thiết bị điện từ tĩnh làm việc dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ, biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở mức điện áp này thành hệ thống dòng điện xoay chiều ở mức điện áp khác với tần số không thay đổi

MBA biến đổi hệ thống dòng điện xoay chiều một pha gọi là MBA một pha, MBA biến đổi hệ thống dòng điện xoay chiều ba pha gọi là MBA ba pha

MBA ngâm trong dầu (làm mát bằng dầu) gọi là MBA dầu, MBA không ngâm trong dầu và làm mát bằng không khí gọi là MBA khô

2 Nguyên lý cơ bản của MBA:

Ta xét sơ đồ nguyên lý của một MBA như trên hình vẽ Đây là MBA một pha

hai dây quấn

U2 U1

I I

Dây quấn 1 có w1 vòng dây và dây quấn 2 có w2 vòng dây được quấn trên lõi thép

3 Khi đặt một điện áp xoay chiều u1 vào dây quấn 1, trong đó sẽ có dòng điện i1 Trong lõi thép sẽ sinh ra từ thông  móc vòng với cả hai dây quấn 1 và 2, cảm ứng

ra các s.đ.đ e1 và e2 Dây quấn 2 có s.đ.đ sẽ sinh ra dòng điện i2 đưa ra tải với điện

áp là u2 Như vậy năng lượng của dòng điện xoay chiều đã được truyền từ dây quấn

1 sang dây quấn 2

Giả thiết điện áp xoay chiều đặt vào là một hàm số hình sin thì từ thông do nó sinh ra cũng là một hàm số hình sin:

2

cossin

1

1 1

1 1

t w

dt

t d

w dt

d w

(a)

)2sin(

2

cossin

2

2 2

2 2

t w

dt

t d

w dt

d w

(b)

Trong đó:

m m





(c)

m m

m

fw fw





(d)

là giá trị hiệu dụng của các s.đ.đ dây quấn 1 và dây quấn 2

Các biểu thức (a), (b) cho thấy s.đ.đ cảm ứng trong dây quấn chậm pha với từ

thông sinh ra nó một góc

2



Dựa vào các biểu thức (c), (d) người ta định nghĩa tỷ số biến đổi của MBA như sau:

2 1 2

1

w

w E

1

U

U E E

k  

3 Các thông số đặc trưng của MBA:

3.1 Dung lượng hay công suất định mức S đm

Công suất định mức của MBA hay công suất liên tục đi qua MBA trong suốt thời hạn phục vụ của nó ứng với các điều kiện tiêu chuẩn: điện áp định mức, tần số định mức và nhiệt độ môi trường làm mát định mức

3.2 Điện áp định mức:

- Điện áp dây sơ cấp định mức là điện áp hai đầu cuộn dây sơ cấp

- Điện áp thứ cấp định mức là điện áp hai đầu cuộn dây thứ cấp khi máy biến không tải

Hệ số biến áp k được xác định bằng tỷ số giữa điện áp định mức của cuộn dây

sơ cấp với cuộn dây thứ cấp

k =

ñm ñm

tc

sc

U U

- Nếu k >1 thì MBA là máy hạ áp

- Nếu k<1 thì MBA là máy tăng áp

I U

10 100

3

ñm ñm

3.6 Dòng không tải:

- Dòng không tải i là đại lượng được làm cơ sở để tính công suất phản kháng tiêu thụ trên mạch từ hoá QFe Thường trị số của dòng không tải cho bằng phần trăm dòng định mức của MBA

- Trị số tương đối của nó giảm đi khi công suất và điện áp định mức của máy biến áp tăng: đối với máy biến áp 10  35kV, i0 = (12,5%); đối với máy biến áp 220  500 kV, i0 = 0,3  0,5% Quan hệ giữa dòng không tải và tổn hao không tải như sau:

i0% =

ñm ñm

ñm

S S

I U I

% 100 3

Để thuận tiện người ta dùng kim đồng hồ biểu thị vectơ điện áp sơ cấp luôn chỉ

số 12 trên mặt đồng hồ – tượng trưng cho kim phút, vectơ điện áp thứ cấp sẽ lệch pha tương ứng ở các vị trí lần lượt chỉ các số 0,1,2,3…11 trên mặt đồng hồ tượng trưng cho kim giờ

Ứng với tất cả các kiểu nối dây của MBA ba pha, có 12 vị trí vectơ điện áp dây thứ cấp, mỗi vị trí tương ứng với một kiểu nối dây

Ta có một số kiểu nối dây sau :

- Nối Y/y : Kiểu nối này có cách nối đơn giản nhất, phương pháp nối dây này

có ưu điểm là cùng một điện áp, cần ít vòng dây hơn Nhưng có nhược điểm

là nếu nối trung tính với mạch ngoài, phía thứ cấp có cả điện áp dây và điện

áp pha do vậy gặp nhiều khó khăn nhất là nhạy cảm với tải không đối xứng Mặt khác nối kiểu này làm xuất hiện từ thông bậc ba, đối với MBA ba pha ba trụ từ thông bậc ba này sẽ móc vòng qua dầu, bulông, vỏ máy gây tổn hao, giảm hiệu suất máy Do đó đối với MBA ba pha ba trụ, phương pháp này chỉ

áp dụng cho MBA dung lượng hạn chế từ 6300kVA trở xuống

- Nối / y : Cách nối này phía sơ cấp dòng bậc ba và bội ba khép vòng qua dây quấn, vì vậy từ thông và điện áp pha là hình sin Dòng điện dây, hiệu giữa hai pha, không có thành phần bậc ba và bội ba Có thể dùng cho trường hợp có dây trung tính, cho phép phụ tải một pha làm việc với dòng điện tới 100% định mức Nhược điểm là dây quấn pha phải tính ứng với điện áp dây, như vậy số vòng dây lớn hơn số vòng của cách nối Y là 3 lần do đó không tiện dùng cho MBA có công suất nhỏ Chỉ sử dụng khi công suất từ 500 kVA trở lên

- Nối Y/ : Giống như cách nối /y nối kiểu y/ cũng tránh được tác hại của

từ thông và s.đ.đ điều hoà bậc ba.Cách nối này sử dụng cho MBA công suất lớn trong nhà máy điện, nối trực tiếp từ máy phát hoặc sử dụng cho các trạm công suất lớn

- Nối Y/z : Kiểu đấu dây này ít dùng vì tốn nhiều đồng hơn và chỉ gặp trong MBA dùng cho các thiết bị chỉnh lưu hoặc trong MBA đo lường để hiệu chỉnh sai số về góc lệch pha

III Phân loại MBA:

Theo công dụng máy biến áp có thể phân ra các loại sau:

- Máy biến áp điện lực: dùng để truyền tải và phân phối công suất trong hệ

- Máy biến áp thí nghiệm: dùng để thí nghiệm các điện áp cao áp

1 Máy biến áp điện lực:

Máy biến áp điện lực có hai loại được phân loại theo phương pháp làm mát là MBA khô và MBA dầu

1.1 MBA dầu:

Loại MBA này được làm mát bằng dầu (làm mát tự nhiên hoặc cưỡng bức bằng dầu) Dầu làm mát vừa là dung môi làm mát vừa là chất cách điện giữa lõi

thép, cuộn dây, và các chi tiết kim loại trong ruột MBA Loại MBA này thường có thêm thùng dầu phụ

1.2 MBA khô:

MBA khô về cấu tạo cũng giống như MBA dầu nhưng được làm mát bằng không khí (làm mát tụ nhiên hoặc cưỡng bức) Do đó vỏ MBA khô chỉ có tác dụng che chắn Các cuộn dây được đúc trong chân không và cố định tại chỗ bằng hợp chất keo epoxy

2 Máy biến áp chế tạo theo mục đích sử dụng:

2.1.MBA đo lường:

Để đo điện áp và dòng điện lớn người ta thường sử dụng MBA đo lường để giảm điện áp và dòng điện xuống bằng trị số hiệu dụng mà các dụng cụ đo thông dụng có thể chịu đựng được, trên cơ sở đó phân biệt máy biến điện áp và máy biến dòng

- Máy biến điện áp: Máy có thể chế tạo theo kiểu bọc hoặc kiểu trụ Máy biến

điện áp 3 pha thường chế tạo 5 trụ, dùng loại thép dày 0,35mm, có hệ số từ thẩm cao, ít tổn hao Máy biến điện áp có dây quấn sơ cấp nối song song với lưới điện và dây quấn thứ cấp nối với Vonmét hoặc với cuộn song song của Woatmét hay với cuộn dây của rơle bảo vệ Điện áp định mức thứ cấp được chọn là 100V Có thể chế tạo máy biến điện áp một pha hoặc ba pha

- Máy biến dòng điện: Có thể chế tạo theo MBA kiểu bọc hoặc kiểu lõi Với

dòng điện lớn dây quấn sơ cấp là một thanh dẫn hoặc vài vòng dây Máy biến dòng điện có dây quấn sơ cấp được nối nối tiếp với mạch cần đo dòng điện, còn dây quấn thứ cấp gồm nhiều vòng dây được nối với Ampemet hoặc với cuộn dây nối tiếp của Woatmet hay rơle bảo vệ

2.2 MBA làm việc ngắn mạch:

Để có dòng ngắn mạch lớn, với biên độ lớn, dùng trong thí nghiệm tiếp điểm chuyển mạch, đóng ngắt điện áp cao, hoặc kiểm tra độ bền dây quấn của MBA công suất lớn khi bị ngắn mạch, người ta phải chế tạo ra MBA ngắn mạch có điện áp ngắn mạch rất nhỏ Máy MBA loại này có lực ngắn mạch dọc trục và hướng kính lớn Lực hướng kính lên đến 10 kG và độ tăng nhiệt có thể lên tới 1800

2.3 MBA hàn:

Hàn điện thường được thực hiện bằng hai cách: hàn hồ quang và hàn bằng điện trở

- MBA hàn hồ quang: thường phải chế tạo có điện kháng tản lớn, muốn vậy

dây quấn sơ cấp và thứ cấp có thể đặt trên một trụ hoặc đặt trên hai trụ nhưng khoảng cách giữa chúng phải lớn Thay đổi điện kháng tản bằng cách thay đổi mạch từ trường tản

- MBA hàn điện trở: Sử dụng dòng ngắn mạch từ 1 đến 100kA Dây quấn thứ

cấp được đúc bằng đồng, bọc hai phía bằng dây quấn sơ cấp Điều chỉnh dòng điện hàn bằng cách điều chỉnh số vòng dây của cuộn sơ cấp Với MBA hàn lớn người ta điều chỉnh dòng điện hàn nhờ MBA tự ngẫu

2.4 MBA lò:

MBA lò được chế tạo một hoặc ba pha, có điện áp thứ cấp thấp khoảng từ 22 – 500V, nên có dòng điện lớn có khi tới 270.000A Dây quấn thứ cấp do có tiết diện lớn nên được tạo thành một số nhóm ghép song song, đầu và cuối bối dây để kề nhau do vậy gây nên tổn hao phụ trong dây quấn và dây dẫn ra Người ta điều chỉnh điện áp bằng các phương pháp khác nhau và có thể thực hiện điều chỉnh dưới tải hoặc điều chỉnh không điện

Ngoài ra còn có các loại MBA đặc biệt khác như MBA một pha dùng cho đầu máy chạy điện, MBA dùng cho hệ thống mêtrô, máy điều chỉnh cảm ứng,…

2.3 MBA tự ngẫu:

MBA tự ngẫu là một MBA đặc biệt, dây quấn sơ cấp và thứ cấp nối trực tiếp với nhau, dây quấn thứ cấp là một bộ phận của dây quấn sơ cấp Do đó ngoài sự liên hệ qua hỗ cảm các dây quấn sơ cấp và thứ cấp còn liên quan trực tiếp với nhau về điện Công suất truyền tải qua máy một phần bằng cảm ứng và một phần truyền trực tiếp MBA tự ngẫu thường dùng để mở máy động cơ, điều chỉnh điện áp, …

CHƯƠNG II : CẤU TẠO CHUNG MBA ĐIỆN LỰC

MBA cĩ các bộ phận chính là : Lõi thép, dây quấn, vỏ máy và hệ thống làm mát

I Lõi thép

1 Các loại thép kỹ thuật điện dùng trong chế tạo MBA

Mạch từ của MBA thường được chế tạo từ thép kỹ thuật điện Thép kỹ thuật điện

là kim loại đa tinh thể dạng khối tạo thành Tuỳ theo chế độ cán mà cĩ cấu trúc tinh thể khác nhau Tơn cán nĩng cĩ cấu trúc tinh thể hỗn độn, cĩ từ trở theo tất cả các hướng là như nhau Tơn cán nguội cĩ cấu trúc tinh thể được sắp xếp theo cùng một quy luật, chính vì vậy tơn cán nguội cĩ phẩm chất dẫn từ khơng đẳng hướng- dẫn

từ định hướng

cấ u tạo tinh thể trong thé p

Trước đây, lõi sắt của MBA chủ yếu dùng tơn cán nĩng của Liên Xơ dày 0,35 mm

từ cảm trong lõi dưới 1,45T Ngày nay đa số là dùng tơn cán nguội cĩ chiều dày là 0,23; 0,27; 0,35mm… cho phép nâng từ cảm trong mạch từ lên đến 1,6 -1,72 T, giảm được khối lượng mạch từ đồng thời giảm được thời giảm được tổn hao khơng tải, ngắn mạch và dịng điện khơng tải Tổn hao khơng tải trong các máy dùng tơn cán nguội chiếm từ 0,1 đến 0,2% cơng suất máy trong khi dùng tơn cán nĩng tổn hao khơng tải đạt đến 0,3%

Trong chế tạo MBA hiện nay chủ yếu dùng các loại tơn sau :

 Tơn cán nguội của Nga sản xuất với các mã hiệu: 3404, 3405, 3406, 3407,

3408 Chiều dày tơn từ 0,23 0,3mm Ở tần số 50Hz, B=1,7T; suất tổn hao

p0 = 1,05  1,15 W/kg

 Tôn cán nguội của Đức: C120, C100 Chiều dày tôn từ 0,270,3mm; tần số 50Hz, B=1,7T, suất tổn hao từ 11,2W/kg

 Tôn Nhật mã hiệu: 23ZH90; 23ZH95; 23JGH95; 27ZH95; 27ZH100 Trong

đó hai số đầu chỉ chiều dày tấm tôn; hai số cuối chỉ suất tổn haon (0,91W/kg); ở tần số 50Hz, B=1,7T

Trong quá trình làm việc của MBA, thép kỹ thuật điện bị già hoá Sự già hoá này được đánh giá bằng hệ số già hoá tính bằng phần trăm tăng tổn hao riêng

Tính dẫn từ của thép kỹ thuật điện chịu ảnh hưởng rất lớn của tác động cơ học và nhiệt độ cũng như ảnh hưởng của việc cắt dập lỗ, việc ép mạch từ hay việc mài bề mặt.v.v

 Ảnh hưởng của cắt và dập lỗ: Trong quá trình pha cắt các tấm tôn cũng như

khi đột dập các lỗ do có sự tác động cơ khí kết cấu thép ở các mép cắt hoặc đột bị biến cứng Sự biến cứng dẫn tới làm giảm từ cảm trong thép và làm tăng tổn hao riêng của nó

 Ảnh hưởng của việc ép mạch từ: Khi ép mạch từ đặc biệt với tôn cán nguội

càng phải xác định lực ép tối ưu Nếu lực ép không đủ, kết cấu mạch từ sẽ lỏng lẻo, dễ biến dạng khi cần phải lật đảo, nâng hạ hay vận chuyển Hậu quả

là làm xê dịch thay đổi vị trí các chi tiết, ruột máy thậm chí làm biến dạng cuộn dây và thay đổi khoảng cách cách điện giữa chúng Nếu lực ép quá lớn, tính dẫn từ của thép cán nguội sẽ giảm, tổn hao và dòng không tải sẽ tăng lên

 Ảnh hưởng của việc mài bề mặt tấm tôn: Nếu dùng tôn chưa sơn cách điện

thì sau khi cắt đột tấm tôn thường qua khâu mài bavia làm ảnh hưởng đến độ dẫn từ và tổn hao riêng của tôn Mức độ ảnh hưởng đó uphụ thuộc vào góc mài so với hướng cán của tôn (tôn cán nguội)

 Ảnh hưởng của nhiệt: Trong quá trình làm việc MBA sinh nhiệt trong lõi

thép và dây quấn làm giảm từ cảm của lõi thép và tăng tổn hao riêng

 Ảnh hưởng do va đập, uốn, bẻ và chất nặng trong quá trình vận chuyển: Trong quá

trình chế tạo, nếu uốn bẻ tấm tôn dưới một góc 90 có thể làm tăng tổn hao (ở từ cảm 1,5T) trung bình 910%, dòng điện từ hoá tăng 40% ngay ở thép cán nóng con

số này cũng là 1,6 và 6% Khi ghép lõi thép dùng búa thép để gõ đập cũng có thể làm tăng tổn hao và dòng không tải Vì vậy, trong quá trình lắp ráp, vận chuyển hết

sức tránh quăng quật, va đập, để vật nặng lên các lá tôn

2 Lõi thép

2.1 Các loại lõi thép

Lõi thép dùng làm mạch dẫn từ đồng thời làm khung để quấn dây quấn Theo hình dáng lõi thép người ta chia ra:

- Máy biến áp kiểu lõi hay kiểu trụ: Dây quấn bao quanh trụ thép Hiện

nay loại này rất thông dụng cho các MBA một pha và ba pha có dung lượng nhỏ và trung bình

Máy biến áp kiểm tra pha

- Máy biến áp kiểu bọc: Mạch từ được phân nhánh sang hai bên và bọc

lấy một phần dây quấn Loại này thường chỉ dùng trong một vài ngành chuyên môn đặc biệt như MBA dùng trong lò điện luyện kim hay MBA một pha công suất nhỏ dùng trong kỹ thuật vô tuyến điện, truyền

thanh…

2.2 Lắp ghép mạch từ:

Lõi thép MBA gồm hai phần: Phần trụ và phần gông Trụ là phần lõi thép có quấn dây quấn; gông là phần lõi thép nối các trụ lại với nhau thành mạch từ kín và không có dây quấn Đối với MBA kiểu bọc và kiểu trụ - bọc hai trụ thép phía ngoài cũng đều thuộc về gông

Mạch từ của máy biến áp được ghép từ nhiều lá thép kỹ thuật điện Các lá thép này có nhiều kích thước khác nhau sao cho tiết diện của trụ có dạng gần giống với hình tròn còn tiết diện của gông có dạng vuông hoặc chữ thập

a) b)

Do tôn cán lạnh có tính dẫn từ không đẳng hướng nên việc ghép nối giữa trụ và gông không thể thực hiện kiểu mối nối vuông góc như tôn cán nóng được vì như vậy góc ghép nối   0 khá lớn làm tăng tổn hao sắt (hình a) Ta dùng mối nối nghiêng hay cắt vát lá tôn (hình b), khi đó góc   0 sẽ nhỏ đi và tổn hao sắt sẽ giảm đáng kể

Ta có một số phương án ghép lõi thép của máy biến áp 3 pha 3 trụ trong mặt phẳng mà hiện nay trong ngành chế tạo máy biến áp đang được sử dụng:

vì vậy cách ghép mạch từ này hiện nay ít dùng

Mạch từ (b): Cũng được ghép chéo góc 45 ở bốn góc của mạch từ còn mối nối giữa trụ giữa và gông được ghép chéo góc 90 Với cách ghép này tổn hao ở mối ghép trụ giữa nhỏ hơn cách ghép ở hình (a), nhưng công nghệ chế tạo phức tạp hơn Với phần kết cấu tương tự nhưng khác là từng tệp lá thép được ghép lại với nhau bởi từ 57 lá thép người ta có cách ghép theo công nghệ steplap Với cách ghép này

từ trở khe hở không khí giữa các lá thép là nhỏ nhất và được kéo dài bởi số lần

trùng nhau của khe hở được giảm đi rất nhiều Hiện nay công nghệ steplap này đang được sử dụng rộng rãi trong công nghệ chế tạo mạch từ MBA

Mạch từ (c): Kết cấu mạch từ tương tự như hình (b) xong các lá thép ở trụ giữa

là các hình thang cân Các lá thép trụ giữa được xếp luân phiên sao cho cân xứng (nét đứt là lá thép trụ giữa được lật ngược)

II Dây quấn:

1 Các loại dây dẫn dùng làm dây quấn

Dây dẫn dùng để làm dây quấn máy biến áp từ trước đến nay chủ yếu là đồng bởi vì đồng thuần nhất có điện dẫn suất cao nhưng tương lai người ta có xu hướng

sử dụng nhôm làm dây quấn cho máy biến áp bởi nhôm nhẹ hơn đồng, rẻ hơn và dễ kiếm hơn đồng Nhưng hiện nay chủ yếu vẫn dùng đồng làm dây quấn vì đồng có tính dẫn điện cao, chống được sự ăn mòn của khí quyển và có tính đàn hồi cao Về công nghệ, dây đồng dễ hàn hơn dây nhôm

Trong chế tạo máy biến áp người ta thường sử dụng dây đồng tròn hay dây đồng dẹt

- Dây đồng tròn được chế tạo với đường kính từ 0,03 đến 100mm

Dây đồng dẹt được chế tạo với kích thước theo cạnh nhỏ là 0,83 12,5mm và cạnh lớn hơn là 2,135mm

2 Các phương pháp quấn dây

Dây quấn MBA là bộ phận dùng để thu nhận năng lượng vào và truyền tải năng lượng đi Trong MBA hai dây quấn có hai cuộn dây là cuộn hạ áp (HA) nối với lưới điện hạ áp và cuộn cao áp (CA) nối với lưới điện cao áp Theo phương pháp bố trí dây quấn trên lõi thép có thể chia dây quấn MBA thành hai kiểu: đồng tâm và xen

kẽ

2.1 Dây quấn đồng tâm:

Cuộn CA và HA là những hình ống đồng tâm với nhau Chiều cao của chúng được

thiết kế bằng nhau Khi bố trí cuộn dây cuộn HA đặt trong còn cuộn CA đặt ngoài

2.1.1 Dây quấn lớp dây dẫn tiết diện chữ nhật:

Sử dụng kiểu quấn này có thể quấn bằng một sợi dây hay ghép nhiều sợi Nếu dòng điện quá lớn thì ghép nhiều sợi Người ta tránh ghép hướng kính vì theo chiều

đó từ thông dò khác nhau gây nên tổn hao vì dòng điện xoáy khác nhau Khi quấn một lượt thì gọi là quấn lớp đơn, quấn hai lượt gọi là quấn kép

2.1.3 Kiểu quấn xoáy ốc liên tục:

Dây quấn xoáy ốc liên tục là loại dây quấn có nhiều bánh dây quấn liên tiếp từ một hoặc nhiều sợi dây dẫn chữ nhật chập lại Hướng quấn dây vuông góc với trục quay Mỗi bánh dây gồm nhiều vòng dây, chiều cao bánh dây bằng chiều cao dây dẫn Bánh thứ nhất cuốn từ ngoài vào trong, đến bánh thứ 2 lại quấn từ trong ra ngoài Số bánh dây là chẵn và phải đi từng đôi một Như vậy bánh thứ nhất đầu dây

dụng nhiều dây chập, tối đa là bốn sợi, thì phải hoán vị Giữa các bánh dây có rãnh dầu và đệm cách điện

Ưu điểm của cuộn dây là cường độ cơ học tốt, làm mát tốt Nhược điểm là khó quấn dây, chế tạo phức tạp

Dây quấn này có thể cho bên CA hoặc HA, loại cuộn dây này chỉ sử dụng cho các MBA có dung lượng lớn hơn 560KVA

2.1.4 Dây quấn hình xoắn:

Cuộn dây được quấn liên tục gồm nhiều sợi dây ghép song song với nhau thành một vòng dây bẹt để quấn Cách này dùng để quấn khi giảm số vòng dây và tăng

hình xoắn có hai loại: Dây quấn xoắn mạch đơn và dây quấn xoắn mạch kép Khi dòng điện quá lớn thì phải dùng cuộn dây quấn mạch kép hay còn gọi là dây quấn xoắn hai lượt Giữa hai lượt có nêm kê

Ưu điểm của kiểu xoắn ốc là cường độ cơ học tốt, tản nhiệt tốt Tuy nhiên vì chiều dài của một vòng dây trong một vành dây không dài bằng nhau nên từ thông

rò không đều nhau Điện kháng của các vòng dây không bằng nhau, cường độ điện phân bố không đều đặn làm tăng tổn hao phụ Để khắc phục điều này người ta hoán

vị các sợi dây

2.2 Dây quấn xen kẽ:

Cuộn CA và HA được quấn thành từng bối có cùng chiều cao thấp và quấn xen

kẽ với nhau do đó giảm được lực dọc trục khi ngắn mạch Để giảm lực cơ học theo hướng kính các bối dây cố gắng thiết kế có đường kính gần bằng nhau Dây quấn xen kẽ có nhiều rãnh dầu ngang nên tản nhiệt tốt hơn các kiểu quấn dây khác Tuy nhiên kiểu quấn này về mặt cơ học kém vững chắc, dây quấn có nhiều mối hàn Mặt khác vì dây quấn CA và HA quấn xen kẽ nên cách điện giữa dây quấn CA

và HA cần đảm bảo do đó khó chế tạo hơn Loại dây quấn này chủ yếu được dùng trong các MBA lò điện hay trong một số MBA khô để đảm bảo sự làm mát được tốt

PHẦN II: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHI TIẾT MBA

* * *

Số liệu thiết kế máy biến áp điện lực 180 kVA:

Công suất định mức: S = 180 kVA Điện áp hạ áp (HA) U1 = 0,4kV Điện áp cao áp (CA) U2 = 10 kV

Tổ nối dây ∆/Y-11 Điện áp ngắn mạch Un% = 4%

Dòng điện không tải I0% = 1,7%

Tổn hao ngắn mạch ∆Pn = 3150 W Tổn hao không tải ∆P0 = 480 W

CHƯƠNG I: TÍNH TOÁN CÁC KÍCH THƯỚC THỦ YẾU

***

I Các đại lượng điện cơ bản của MBA:

1 Công suất trên mỗi pha và mỗi trụ của MBA:

Công suất trên mỗi pha:

Sf = 𝑆

𝑚 = 180

3 = 60 kVA Công suất trên mỗi trụ:

S’ = 𝑆

𝑡 = 180

3 = 60 kVA Trong đó: S: công suất định mức

Uf1 =

3

4003

I

= 6 A Phía hạ áp: If1 = I1 = 259.8 A

5 Các thành phần điện áp ngắn mạch:

Điện áp ngắn mạch được xác định từ thí nghiệm ngắn mạch

Thành phần phản kháng:

Unx = √𝑈𝑛2− 𝑈𝑛𝑟2 = √42− 1.752 = 3.6(%)

Trong đó Un= 4%

6 Điện áp thử của các cuộn dây:

Để xác định được khoảng cách cách điện giữa các cuộn dây quấn và các thành phần khác ta cần biết trị số điện áp thử của chúng Dựa vào bảng thử điện áp cao áp

ta tìm được cấp điện áp thử cho từng cuộn dây

Bảng tiêu chuẩn thử cao áp (Bảng 2 - Tr185 - Thiết kế máy biến áp điện lực - Phan Kế Thụ):

Cấp điện áp (kV) Điện áp làm việc lớn nhất

II Chọn các số liệu xuất phát để thiết kế sơ bộ lõi thép:

1 Lõi thép MBA:

Lõi thép MBA có nhiều kiểu nhưng ta chọn lõi thép kiểu trụ, dây quấn cuộn thành hình trụ tiết diện ngang của trụ có dạng bậc thang đối xứng nội tiếp với đường tròn đường kính d

d

d01

2 Vật liệu chế tạo lõi thép:

Chọn tôn silic cán lạnh dẫn từ có hướng mã hiệu 3404 có chiều dày 0,3mm,

có độ từ cảm B t = 1,6T (ba ̉ng 11)

Để chỉ sự gia tăng tiết diện gông so với tiết diện trụ người ta dùng hệ số gia

tăng tiết diện gông k g = 1,02 (ba ̉ng 6)

Hệ số chêm kín k c = 0,918 (bảng 5 trang 186)

Hệ số điền đầy k d = 0,96 (bảng 10 trang 189)

Hệ số lợi dụng của lõi thép k ld = k c k d = 0,918.0,96= 0,88

Hệ số quy đổi từ trường tản (hệ số Rogovski) k r = 0,95

3 Suất tổn hao và suất từ hoá trong trụ và gông:

Dựa vào mã hiệu, độ dầy tôn ta tra bảng có:

Suất tổn hao p trong trụ và gông:

p t = 1.23 W/kg (bảng45 – tr 216)

p g = 1.17 W/kg

Suất từ hoá q trong trụ và gông: