Tiểu luận máy biến áp ngâm dầu

bài tiểu luận chuẩn bị cho đồ án

Tiểu luận Thiết kế Máy biến áp điện lực

ngâm dầu

LỜI NÓI ĐẦU

Đối với chuyên ngành Thiết bị điện - điện tử , Máy biến áp là một lĩnh vựcrất quan trọng Chính vì vậy, thiết kế môn học Máy biến áp có mục đích giúp chosinh viên nắm được những bước cơ bản nhất trong việc tính toán kết cấu của mộtMáy biến áp

Dưới sự hướng dẫn của thầy Bùi Đức Hùng - giảng viên Bộ môn Thiết bịđiện - điện tử, em đã hoàn thành đồ án môn học của mình với đề tài Thiết kế Máybiến áp điện lực ngâm dầu Trong quá trình làm chắc chắn sẽ không tránh khỏi thiếusót, qua đó em mong thầy giáo và các bạn góp ý để đồ án được tốt hơn

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÁY BIẾN ÁP

A Xác định các kích thước chủ yếu:

I Xác định các đại lượng điện cơ bản:

1 Dung lượng một pha:

10 250

= U 3

S

=

3 1

p f

- Phía hạ áp:

400 3

10 250

= U 3

S

= I

3 2

p f

4 Điện áp thử nghiệm của dây quấn:

- Dây quấn cao áp với U1 = 6,3 kV → Uth = 20 k V

- Dây quấn hạ áp với U2 = 0,4 kV → Uth = 5 kV

II Chọn các số liệu xuất phát và tính các kích thước chủ yếu:

1 Chiều rộng quy đổi của rãnh từ tản giữa dây quấn cao áp và hạ áp: với Uth1 = 20

kV, ta có a12= 1,2 cm; δ12= 4 mm Trong rãnh a12 ta dặt ống cách điện dày δ12= 4 mm.Theo công thức:

4 '

P 2

3

a + a

k là hệ số phụ thuộc dung lượng máy biến áp, tra bảng 13.1 ta được k = 0,45thay vào ta được

1 2 = k 4 SP' = 0 , 45 4 83 , 33

3

a + a

P

= U

hệ số lợi dụng lõi sắt kl = kd.kc = 0,928.0,93=0,86

Từ cảm trong gông BG = 1,6/1,02=1,57 T Twf camr khe hở không khí ở mốinối thẳng B”r = BT = 1,6 T, từ cảm ở mối nối xiên B’K= BT/ 2=1,6/ 2=1,13 T.Tra bảng, ứng với từng giá trị mật độ từ cảm ta sẽ có suất tổn hao trong thép vàtổn hao từ hoá trong trụ:

Suất tổn hao trong thép:

+Nối thẳng qK”= 1,92 VA/cm

+Nối nghiêng qK’= 0,272 VA/cm2

5 Các khoảng cách cách điện chính

Giữa trụ và dây quấn hạ áp ao1= 5mm

Giữa dây quấn hạ áp và dây quấn cao áp, a12 = 1,2 cm

ống cách điện giữa dây quấn cao áp và hạ áp, δ12= 0,4 cm

Giữa các dây quấn hạ áp, a22 = 2,2 cm

Tấm chắn các pha δ22= 0,2 cm

Giữa dây quấn cao áp đến gông, lo = 4 cm

Phần đầu thừa của ống cách điện, ld2=3 cm

5 Các hằng số tính toán , với dây dẫn bằng đồng và điện áp dây quấn cao áp là 6,3 kV (bảng 13.5 và 13.6)

a = d12/d = 1,36

b = 2a2/d = 0,4

6 Hệ số tổn hao phụ, với công suất 250 kVA ta chọn kf = 0,94 (bảng 13.7)

7 Chọn β với dải biến thiên từ 1,2 đến 3,6, để xác định giá trị tối ưu của ta phải tính các số liệu và các đặc tính cơ bản của m.b.a:

+ 4

2 l

2 T nx

R R

' P

k B U f

k a S

= A

50 3 , 65 1 , 6 0 , 88 =14,04

95 , 0 71 , 2 33 , 83 16

= 4

2 2

2 l f

2 P dq

A u B k k

a S

K

04 , 14 64 , 1 6 , 1 88 , 0 94 , 0

36 , 1 250 10

46 ,

2 2

kg + M =

A a

P k k k 10 2453 ,

R f

2 n 4 -

trong đó:

kn = .( 1 + e )

u

100 41 ,

nr u -

n

π

= .( 1 + e )

4

100 41 ,

M = 0 , 2543 10 - 4 43 , 84 2 0 , 94 0 , 95 1,364100.14,04

= 9,04 MPa + Trọng lượng tôn silic ở các góc của gông:

k’f hệ số tổn hao phụ trong sắt, tôn cán nguội lấy k’f = 1,25

+ Công suất từ hoá, theo công thức 13-26:

Ta sẽ thấy giá thành thấp nhất sẽ ứng với 3,6 ≥β≥3,0; nhưng với giới hạn P0

= 610 W, ta sẽ lấy giá trị 2,4 ≥β≥1,2, tuơng ứng đường kính lõi sắt 16,26 ≥

d ≥ 14,69 Trong khoảng này tất cả các tham số đều đạt tiêu chuẩn

Căn cứ vào đường kính lõi sắt tiêu chuẩn ta chọn giá trị d = 16 cm, lúc đó β = 1,69; x = 4 β= 4 1 , 69 = 1,14

Tiết diện lõi sắt sơ bộ:

l = .d12 = π.121,69,76

β

π

=39,33 cmChiều cao trụ lõi sắt sơ bộ

= 35,93 ≈ 36 vòng Như vậy điện áp một vòng dây

u P k 746 , 0

12 p

v n n

= 3,39 A/mm2

4 Tiết diện vòng dây sơ bộ:

Tra bảng XV, ta chọn kiểu dây quấn là kiểu quấn kép dây dẫn chữ nhật, do

công nghệ chế tạo đơn giản, rẻ, làm nguội tốt thích hợp với máy công suất nhỏ,nhưng nó cũng có nhược điểm là độ bền cơ nhỏ, ta sẽ khắc phục nhược điểm nàytrong quá trình chọn dây và thông số dây

w1

=18 vòng n: Số lớp, vì quấn kép nên n = 2

6 Chiều cao hướng trục của mỗi vòng dây:

hv1 = =1839,+331

1 + w

Kích thước dây hạ áp như sau:

PB – 2x x 79 , 52

5 , 20 x 6 , 4

0 2 x 1 , 4

8 Tiết diện thực của mỗi vòng dây

b’ b

a11

11 Bề dày của dây quấn hạ áp

a1 = 2.a’+a11

a’: bề dày của 1 sợi dây, a’=4,6mm

a11: khoảng cách giữa hai lớp của dây quấn ống kép, chọn a11=5mm

D +

D

t 28

= 36 159 , 04

2

84 , 19 + 17 3

II Dây quấn cao áp

1 Chọn sơ đồ điều chỉnh điện áp, căn cứ vào công suất của máy biến áp là

250 kVA ta bố trí đoạn dây điều chỉnh nằm ở lớp ngoài cùng, mỗi lớp điều chỉnhđược bố trí thành hai nhóm trên dưới dây quấn nối tiếp với nhau và phân bố đềutrên toàn bộ chiều cao dây quấn nên không xuất hiện lực chiều trục

Các đầu phân áp được cực của bộ đổi nối ba pha Dòng làm viêc định mức qua các tiếp điểm chính là dòng định mức của dây quấn cao áp bằng 22,9 A Điện áp lớn nhất đặt lên hai đầu tiếp điểm của bộ đổi nối là:

- Điện áp làm việc Ulv = 10%.Uf2 = 10%.6,3.103 = 630 V

- Điện áp thử Uth = 2.Ulv

Sơ đồ điều chỉnh điện áp

A x5 x4 x3 x2 x1 12 12

12

54 12

12

12

12 12

11 lớp bình 2 lớp điều

thường chỉnh

2 Số vòng dây cuộn cao áp ứng với Uđm

w2 = = 36 6,3231.10

U

U w

3 1

f

2 f 1

= 982 vòng

3 Điện áp ở một cấp điều chỉnh

∆u = 2,5%.U2 = 2,5%.6,3.103 = 157,5 V

4 Số vòng dây cao áp ở một cấp điều chỉnh:

wđc =

42 , 6

5 , 157

uv

Δ

≈ 24 vòng

5 Số vòng dây tương ứng trên các đầu phân áp

2 f

= = 5,08 mm2

8 Căn cứ vào công suất máy biến áp 250 kVA, dòng If2 = 22,9 A, U2=6,3 kV,

s2’=5,08 mm2 tra bảng XV ta chọn kết cấu dây quấn là kiểu hình ống nhiều lớptiết diện tròn, ưu diểm của phương pháp này là công nghệ chế tạo đơn giản,nhưng nhược điểm là độ tản nhiệt kém và độ bền cơ thấp, nhưng với công suấtcủa máy nhỏ thì ta có thể khắc phục được những nhược điểm này trong khi chọnlựa thông số dây quấn và kiểu cách tản nhiệt

36 , 2

9 Tiết diện thực của mỗi vòng dây,

5 , 399 1

d n

-l

' 2 2

2

Trong đó:

l2 = l1 = 39,95 cm = 399,5 mm

nv2 là số sợi chập trong một vòng dây, nv2 = 2

12 Số lớp của dây quấn:

u12 = 2.w12.uv = 2.81.6,42 = 1040,04 V

14 Căn cứ vào u12 = 1040 V, ta chọn cách điện giữa các lớp của dây quấn hìnhống nhiều lớp, chiều dày cách điện là δ12=0,12 mm, số lớp giấy cách điện là 2lớp

15 Như trên đã đề cập nhược điểm chính của kiểu dây quấn này là toả nhiệtkém, để đảm bảo điều kiện toả nhiệt tốt ta quấn nên que nêm

Bố trí dây quấn như sau:

16 Chiều dày dây quấn cao áp

Theo công thức 13-54a

20 Diện tích bề mặt làm lạnh của dây quấn

Dây quấn cao áp quấn trên nêm, nên theo công thức 13-59ab

-2 2

D

= 1030 8 , 72 10 - 5

2

2 , 29 + 24 , 22 3

160 5 14,2 12 34,8 22

ử161 40 ử164

Sơ đồ bố trí quận dây và kích thước chính

của dây quấn hạ áp và cao áp

GCu2 = 28.t.

5

m

-® 2 2

D

= 982 8 , 72 10 - 5

2

2 , 29 + 24 , 22 3

m b

b chiều cao một vòng dây, b=20,5 mm

m là số thanh dẫn của dây quấn song song với từ thông tản, m = 18 l chiều cao toàn bộ dây quấn, l = 39,95 cm

kR hệ số Ragovski, lấy kR = 0,95 →β = 0 , 95

95 , 39

18 05 , 2

= 0,88 →β2 = 0,77 + a kích thước dây dẫn thẳng góc với từ thông tản, a = 4,1 mm + n số thanh dẫn của thanh dẫn song song với từ thông tản, n=4

Vậy: kf1 = 1+0,095β2.a4.n2

= 1+0,095.0,77.(0,41)4 42 = 1,033 -Với dây dẫn cao áp tiết diện tròn, theo công thức 13-78c

kf = 1+0,044β2.d4.n2

+ β = R

2

k l

m d

d đường kính trần của dây quấn cao áp, d=2,36 cm m số thanh dẫn của dây quấn song song với từ trường tản, m=81

l2 = 39,95 cm

→β = 0 , 95

95 , 39

81 236 , 0

= 0,45→β2 = 0,21+ n số thanh dẫn của dây quấn vuông góc với từ trường tản, n=13 Vậy: kf2 = 1+0,044.β2.a4.n2

= 1+0,095.0,21.(0,236) 13 = 1,0048

A) B)

Hình vẽ dùng để xác định tổn hao đồng trong các dây quấn

A) Với dây đồng chữ nhậtB) Với dây đồng tròn

3 Tổn hao phụ trong dây dẫn ra

PCur = 2,4.J2.GCur

+J: mật độ dòng điện của dây quấn

+GCur khối lượng đồng dây dẫn ra của dây quấn

GCur = lr.sr.γCu

.lr: chiều dài dây dẫn ra

.γ khối lượng riêng của đồng, γCu =8900kg/m3

- Khối lượng đồng dây dẫn ra của dây quấn hạ áp

4 Tổn hao trong thùng dầu và các chi tiết bằng kim loại khác

Tổn hao này rất khó xác định chính xác, theo công thức gần đúng 13-80:

Pt = 10.k.SP

là hệ số tỉ lệ, tra bảng 13.18 với công suất máy 250 kVA, ta được k=0,012

Pt = 10.0,012.250 = 30 W

5 Tổng tổn hao ngắn mạch toàn phần

ΣPn = kf1.PCu1 + kf2.PCu2 + PCur1 + PCur2 + Pt

Thay số vào ta được

ΣPn = 1,033.1096 +1,0048.3048 +52,44 +7,15+30

= 4284,39 W

So sánh với số liệu đầu bài đã cho Pn = 4100, sai số

∆% = 100 %

P

P - P

n

n n

Σ

4100

4100 - 39 , 4284

= 4,5% < 5%, như vậy coi nhưcông suất tổn hao ngắn mạch của máy là đạt yêu cầu

S 10 P

Pn’ Tổn hao trong điều kiện làm việc bình thường của dây quấn cao áp ở chế độlàm việc định mức

P

P

' n

Trong đó

+ f là tần số công nghiệp, f =50 Hz

+ S’P Công suất trên mỗi trụ của máy, S’P = 83,33 kVA

+ β hệ số hình dáng của máy biến áp, β =1,69

+ aR =

3

48 , 3 + 42 , 1 + 2 , 1

= 3

a + a +

a 1 2 12

= π

+ +

= 0,048

thay giá trị σ vào

kR = 1- 0,048.(1- -0,0481

e ) = 0,952vậy giá trị của thành phần phản kháng

42 , 6

83 , 2 69 , 1 33 , 83 50 92 ,

= 3,65%

3 Điện áp ngắn mạch toàn phần

u = 2 + 2 = 2 + 2 = 4 %

Như vậy kết quả tính toán trùng luôn với dữ liệu ban đầu đã cho un =4%, kếtluận điện áp ngắn mạch với các thông số đã chọn là thoả mãn yêu cầu đề bài.

III Tính toán lực cơ học khi ngắn mạch

1 Dòng điện ngắn mạch xác lập, theo công thức13-85

In = 572 , 5 A

4

100 9 , 22 u

100 I

K

w s 2

F π

6

6

10 26 , 27 36 10 04 , 159 2

10 98 ,

K

w s 2

F π =

982 10 72 , 8 2

10 98 , 0

F’t =

l 2

a

F R K

= 0,98.106.2.239,83,95=34731 N

6 ứng suất do lực chiều trục gây nên

áp dụng công thức 13-92 cho dây quấn không có nêm chèm giữa các bánhdây, ở đây ta chỉ xét riêng cho dây quấn hạ áp do nó phải chịu lực ép điện độngcực đại trong dây quấn, nếu nó thoả mãn thì điều kiện này đối với dây cao ápcung thoả mãn

σn =

) a

F

11 1

"

1

' 1

' t

−

+ π

σn = 10 2 ( 1 , 42 0 , 5 ) 10 2

2

19,84 17

.

34731

−

− − +

δ ;

δT là chiều dày mỗi lá thép, δT = 0,35 mm thay vào biểu thức trên

n1 =

T T

b

δ = 0 , 35

3 , 153

= 438 lá thép

9 Chiều cao trụ sắt

theo công thức 13-99

lT = l + l0 + l0’

l là chiều cao dây quấn, l = 39,95 cm

l0 là khoảng cách từ gông trên

l0’ là khoảng cách từ dây quấn đến gông dưới

D2” là đường kính ngoài cuộn cao áp, D2”=30,21 cm

a22 là khoảng cách giữa 2 cuộn cao áp, a22 =2,2 cm

12 Trọng lượng sắt trong gông

= 2.18,26 = 36,52 kg

vậy trọng lượng của gông là

GG = GG’ + GG”

= 184,44 + 36,52 = 220,96 kg

13 Trọng lượng sắt trong trụ là

theo công thức 13-103

GT = GT’ + GT”

Trong đó

- GT’ là trọng lượng phần trụ nằm trong chiều cao cửa sổ mạch từ

theo công thức 13-103a

V Tính tổn hao không tải và dòng điện không tải

1 Lõi thép làm bằng tôn silíc mã hiệu 3405, dày 0,35 mm, hệ số tự cảm trong trụ và gông là:

= 4 , 44 50 181 , 82 10 4

42 , 6

42 , 6

−

=1,56 T

2 Theo bảng V.13 với tôn 3405, dày 0,35 mm ta tra được các suất tổn hao sắttương ứng

BT

= = 1,124 T Với Bkn ta tra được pkn = 0,0333W/cm2

3 Các hệ số xét đến sự gia tăng tổn hao trong gông và trụ

Kết cấu mạch từ đã chọn là mạch từ phẳng nối nghiêng ở 4 góc, trụ giữa nốithẳng, lõi sắt không đột lỗ, tôn có ủ sau khi cắt, có khử bavia, từ đó tra được các

hệ số:

- k1’ hệ số gia tăng tổn hao và công suất từ hoá ở gông dô hình dáng tiếtdiện gông ảnh hưởng đến sự phân bố từ cảm trong trụ và gông, vì sốbậc thang của trụ và gông gần bằng nhau (nG = 5, nT = 5) nên lấy k1’ =1

- k2’ là hệ số do tháo lắp gông để lồng dây vào trụ làm chất lượng lá thépgiảm xuống, với công suất máy 250 kVA ta lấy k2’ = 1,01

- k3’ là hệ số do ép trụ để đai, hệ số này phụ thuộc vào công suất máy,với công suất máy 250 kVA ta lấy k3’ = 1,02

- k4’ là hệ số do cắt dập lá tôn thành tấm, với tôn có ủ k4’ =1

- k5’ là hệ số do việc xử lý bavia, tôn có ủ lại, có khử bavia, lấy k5’=1

- k6’ là hệ số xét đến các góc nối của mạch từ , tra phụ lục XVIII ta được

k6’ = 10,45

4 Tổn hao không tải

P0 = k4’.k5’.[ pT.GT + pG.(GG’ - 4Gg) + ' g

6 G

P0=1.1.[1,135.209,31+1,074.(184,44– 4.18,26)+ 10 , 45 18 , 26

2

074 , 1 135 ,

655 −

= 7,52 %

4 Theo bảng V.13 với tôn 3405, dày 0,35 mm ta tra được các suất từ hoátương ứng

= = 1,124 T Với Bkn ta tra được qkn = 0,142W/cm2

5 Các hệ số xét đến sự gia tăng công suất từ hóa trong gông và trụ

Đối với kết cấu lõi thép và công nghệ chế tạo mạch từ có ủ lá tôn sau khi cắt dập ta tra được các hệ số sau:

- k1” hệ số gia tăng công suất từ hoá ở gông do hình dáng tiết diện gôngảnh hưởng đến sự phân bố từ cảm trong trụ và gông, vì số bậc thangcủa trụ và gông gần bằng nhau (nG = 5, nT = 5) nên lấy k1” = 1

- k2” là hệ số do tháo lắp gông để lồng dây vào trụ làm chất lượng lá thépgiảm xuống, với công suất máy 250 kVA ta lấy k2” = 1,01

- k3” là hệ số do ép trụ để đai, hệ số này phụ thuộc vào công suất máy,với công suất máy 250 kVA ta lấy k3” = 1,02

- k4” là hệ số do cắt dập lá tôn thành tấm, với tôn có ủ k4” =1,18

- k5” là hệ số do việc xử lý bavia, tôn có ủ lại, có khử bavia, lấy k5”=1

- k6” là hệ số xét đến các góc nối của mạch từ , tra phụ lục XVIII tađược k6” = 41,775

6 Công suất từ hoá không tải:

Q0 = {1,18.1.[ 1,564.209,31 + 1,447.(184,44 – 4.18,26) +

26 , 18 775 , 41 41 , 1 2

447 , 1 564

=

250 10

8 , 655

=

250 10

54 , 3954

như vậy trị số dòng không tải thoả mãn điều kiện đặt ra của đề bài

10 Hiệu suất của máy biến áp lúc tải định mức, cos ϕ = 1

theo công thức 13-109

P P S

P P 1 (

n 0 P

n 0

+ +

+

− = ( 1 250.106553 ,86554284,8 ,428439 ,39

+ +

+

VI Tính toán nhiệt:

A Tính toán nhiệt của dây quấn

1 Nhiệt độ chênh trong lòng dây quấn với mặt ngoài của nó

- Dây quấn hạ áp, tiết diện dây chữ nhật

λ δ

trong đó

+ q: Mật độ dòng nhiệt trên bề mặt dây quấn

Với dây quấn ống kép không có rãnh dẫn dầu ở giữa, theo công thức13-110a

q = ' 2 f

K

k J a

a b k

107 2 .kK là hệ số che kín mặt ngoài của dây quấn, lấy kK = 0,75.b là chiều cao trần của mỗi sợi chập, như trên đã chọn b=20mm=2cm

a là chiều rộng của mỗi sợi chập, a = 4,1 mm.a’ là chiều rộng kể cả cách điện của mỗi sợi chập, a= 4,6mm J là mật độ dòng hạ áp, J =2,27 A/mm2

.kf là hệ số tổn hao phụ, đã tính ở trên kf =1,033

q = 2 , 27 1 , 033

6 , 4

1 , 4 2 75 , 0

107

= 2707,45 W/m2

+ λcđ là hệ số dẫn nhiệt của lớp cách điện, cách điện giữa các lớp là bìa nên ta lấy λcđ = 0,25 W/m.0C

+δ là chiều dày cách điện một phía, δ = 0,25 mm =0,025 cm

thay số vào biểu thức

θ01 =

cd

q

λ δ

θ01 = 2707,450.,025,25.10−3 =2,71 0C

- Dây quấn cao áp, tiết diện dây tròn