Thiết kế máy biến áp đầu máy một pha

Thiết kế máy biến áp đầu máy một pha

ĐỒÁNTỐTNGHIỆPThiết kế máy biến áp đầu máy một pha

húng ta đang sống trong thời đại với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật, một thời đại mà sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa được đặt lên hàng đầu

Nói đến công nghiệp hóa, hiện đại hóa thì không thể tách rời được ngành điện, ngành điện đóng một vai trò mấu chốt trong quá trình đó.

Trong ngành điện thì công việc thiết kế máy điện là một khâu vô cùng quan trọng, nhờ có các kĩ sư thiết kế máy điện mà các máy phát điện mới được ra đời cung cấp cho các nhà máy điện Khi điện đãđược sản xuất ra thì phải truyền tải điện năng tới nơi tiêu thụ, trong quá trình truyền tải điện năng đó thì không thể thiếu được các máy biến áp điện lực dùng để tăng và giảm điện áp lưới sao cho phù hợp nhất đối với việc tăng điện áp lên cao để tránh tổn thất điện năng khi truyền tải cũng như giảm điện áp cho phù hợp với nơi tiêu thụ

Trong lĩnh vực công nghiệp máy biến áp đóng vai trò vô cùng quan trọng phục vụ cho việc cung cấp điện năng chuyển hoá thành các dạng năng lượng khác ứng dụng vào sản xuất Trong đó máy biến áp dùng cho đầu máy chạy điện cũng đóng vai trò rất quan trong phục vụ cho ngành giao thông vận tải Đầu máy chạy điện là phương tiện giao thông hữu ích tiện lợi, đặc biệt nó có lợi cho môI trường Vì vậy đầu máy chạy điện được sử dụng khá rộng rãI trên thế giới Tuy nhiên một vấn đềđặt ra là việc cấp điện cho động cơđầu máy là khó khăn Vì vậy việc thiết kế chế tạo MBA cho đầu máy chạy điện cần đặc biệt chú trọng.

Chính vì lý do đó trong đợt thực tập tốt nghiệp lần này emđãđựơc giao đề tài Thiết kế máy biến áp 1 pha dùng cho đầu máy chạy điện Bằng tất

ĐỒÁNTỐTNGHIỆPThiết kế máy biến áp đầu máy một pha

cả cố gắng của mình ,với những kiến thức nhận được từ thầy cô và sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Phạm Văn Bình ,màemđã làm nên bài thiết kế tốt nghiệp này Do kiến thức còn nhiều hạn chế nên bài thiết kế còn nhiều thiếu sót, em mong các thầy côtận tình chỉ bảo giúp hoàn thiện hơn đề tài này Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên Phạm Bùi Anh Tuấn

ĐỒÁNTỐTNGHIỆPThiết kế máy biến áp đầu máy một pha

PHẦN I: TỔNGQUANVỀMÁYBIẾNÁP

1.1 V ÀINÉTKHÁIQUÁTVỀMÁYBIẾNÁP

Để dẫn điện từ các trạm phát điện đến hộ tiêu thụ cần phải cóđường dây tải điện (Hình 1.1) Nếu khoảng cách giữa nơi sản xuất điện và nơi tiêu thụđiện lớn, một vấn đề rất lớn đặt ra và cần được giải quyết là việc truyền tải điện năng đi xa làm sao cho kinh tế nhất vàđảm bảo được các chỉ tiêu kĩ thuật.

Hình 1.1 Sơđồ mạng truyền tải điện đơn giản

Như ta đã biết, cùng một công suất truyền tải trên đường dây, nếu điện áp được tăng cao thì dòng điện chạy trên đường dây sẽ giảm xuống, như vậy có thể làm tiết diện dây nhỏđi, do đó trọng lượng và chi phí dây dẫn sẽ giảm xuống, đồng thời tổn hao năng lượng trên đường dây cũng sẽ giảm xuống Vì thế, muốn truyền tải công suất lớn đi xa, ít tổn hao và tiết kiệm kim loại mầu trên đường dây người ta phải dùng điện áp cao,dẫn điện bằng các đường dây cao thế, thường là 35,110,220 và 500 KV Trên thực tế, các máy phát điện thường không phát ra những điện áp như vậy vì lí do an toàn, mà chỉ phát ra điện áp từ 3 đến 21KV, do đó phải có thiết bịđể tăng điện áp đầu đường dây lên Mặt khác các hộ tiêu thụ thường chỉ

SINHVIÊN :PHẠMBÙIANHTUẤN

Máy phát điện

Máy biến áp tăng áp

Đường dây tải

Máy biến áp giảm áp

Hộ tiêu thụ

3

ĐỒÁNTỐTNGHIỆPThiết kế máy biến áp đầu máy một pha

sử dụng điện áp thấp từ 127V, 500V hay cùng lắm đến 6KV, do đó trước khi sử dung điện năng ởđây cần phải có thiết bị giảm điện áp xuống Những thiết bị dùng để tăng điện áp ra của máy phát điện tức đầu đường dây dẫn và những thiết bị giảm điện áp trước khi đến hộ tiêu thụ gọi là các máy biến áp (MBA).

Thực ra trong hệ thống điện lực, muốn truyền tải và phân phối công suất từ nhà máy điện đến tận các hộ tiêu thụ một cách hợp lí, thường phải qua ba, bốn lần tăng và giảm điện áp như vậy Do đó tổng công suất của các MBA trong hệ thống điện lực thường gấp ba, bốn lần công suất của trạm phát điện Những MBA dùng trong hệ thống điện lực gọi là MBA điện lực hay MBA công suất Từđó ta cũng thấy rõ, MBA chỉ làm nhiệm vụ truyền tải hoặc phân phối năng lượng chứ không chuyển hóa năng lượng.

Ngày nay khuynh hướng phát triển của MBA điện lực là thiết kế chế tạo những MBA có dung lượng thật lớn, điện áp thật cao, dùng nguyên liệu mới chế tạo để giảm trọng lượng và kích thước máy

Nước ta hiện nay ngành chế tạo MBA đã thực sự có một chỗđứng trong việc đáp ứng phục vụ cho công cuộc công nghiệp hiện đại hóa nước nhà Hiện nay chúng ta đã sản xuất được những MBA có dung lượng 63000KVA với điện áp 110KV.

1.2 ĐỊNHNGHĨAMÁYBIẾNÁP

Máy biến áp là một thiết bịđiện từđứng yên, làm việc dựa trên nguyên lí cảm ứng điện từ, biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ởđiện áp này thành một hệ thống dòng điện xoay chiều ởđiện áp khác, với tần số không thay đổi Kí hiệu một MBA đơn giản như hình 1.2

ĐỒÁNTỐTNGHIỆPThiết kế máy biến áp đầu máy một pha

Đầu vào của MBA được nối với nguồn điện ,được gọi là sơ cấp (SC).Đầu ra của MBA được nối với tải gọi là thứ cấp (TC)

Khi điện áp đầu ra TC lớn hơn điện áp vào SC ta có MBA tăng áp Khi điện áp đầu ra TC nhỏ hơn điện áp vào SC ta có MBA hạáp Các đại lượng và thông số của đầu sơ cấp

+ U1 : Điện áp sơ cấp

+ I1 : Dòng điện qua cuộn sơ cấp + P1 : Công suất sơ cấp

+ W1 : Số vòng dây cuộn sơ cấp

Các đại lượng và thông số của đầu thứ cấp + U2 : Điện áp thứ cấp

+ I2 : Dòng điện qua cuộn thứ cấp + P2 : Công suất thứ cấp

+ W2 : Số vòng dây cuộn thứ cấp

1.3 CÁCLƯỢNGĐỊNHMỨC

Các lượng định mức của MBA do mỗi nhà chế tạo qui định sao cho phù hợp với từng loại máy Có nhiều lượng định mức, dưới đây ta giới thiệu vài đại lượng cơ bản:

a Điện áp định mức

ĐỒÁNTỐTNGHIỆPThiết kế máy biến áp đầu máy một pha

Điện áp sơ cấp định mức kí hiệu U1đm ,làđiện áp qui định cho dây quấn sơ cấp

Điện áp thứ cấp định mức kí hiệu U2đm ,làđiện áp giữa các cực của dây quấn sơ cấp Khi dây quấn thứ cấp hở mạch vàđiện áp đặt vào dây quấn sơ cấp làđịnh mức ,người ta qui ước với MBA 1 pha điện áp định mức làđiện áp pha ,với MBA 3 pha làđiện áp dây Đơn vị của điện áp ghi trên nhãn máy thường là KV

b Dòng điện định mức

Dòng điện định mức là dòng điện đã qui định cho mỗi dây quấn của MBA ,ứng với công suất định mức vàđiện áp định mức Đối với MBA 1 pha dòng điện định mức là dòng điện pha Đối với MBA 3 pha dòng điện định mức là dòng điện dây

ĐỒÁNTỐTNGHIỆPThiết kế máy biến áp đầu máy một pha+ Trong hàn điện có MBA hàn

+ Làm nguồn cho các thiết bịđiện ,thiết bịđiện tử công suất + Trong lĩnh vực đo lường (Máy biến dòng ,Máy biến điện áp…)+ Máy biến áp thử nghiêm

+ Vàđặc biệt quan trọng là MBA điện lực được sử dụng trong hệ thống điện

Trong hệ thống điện MBA có vai trò vô cùng quan trọng , dùng để truyền tải và phân phối điện năng ,vì các nhà máy điện công suất lớn thường ở xa các trung tâm tiêu thụđiện (Các khu công nghiệp và các hộ tiêu thụ…) vì thế cần phải xây dựng các hệ thống truyền tải điện năng

Điện áp do nhà máy phát ra thường là : 6.3;10.5;15.75;38.5 KV.Để nâng cao khả năng truyền tải và giảm tổn hao công suất trên đường dây phải giảm dòng điện chạy trên đường dây ,bằng cách nâng cao điện áp truyền ,vì vậy ởđầu đường dây cần lắp đặt MBA tăng áp 110 KV ;220KV ;500 KV v v.vàở cuối đường dây cần đặt MBA hạáp để cung cấp điện cho nơi tiêu thụ ,thường là 127V đến 500V và các động cơ công suất lớn thường là 3 đến 6KV

1.5 CẤUTẠOCỦAMÁYBIẾNÁP

Máy biến áp có 2 bộ phận chính đó là : Lõi sắt và Dây quấn Ngoài ra còn có các bộ phận khác như vỏ máy và hệ thống làm mát.

1.5.1 Lõi sắt máy biến áp

Lõi sắt máy biến áp dùng để dẫn từ thông chính của máy, được chế tạo từ những vật liệu dẫn từ tốt như thép lá kĩ thuật điện Ngày nay loại tôn cán

ĐỒÁNTỐTNGHIỆPThiết kế máy biến áp đầu máy một pha

lạnh được sử dụng chủ yếu trong công nghệ chế tạo lõi sắt, do tôn cán lạnh là loại tôn có vị trí sắp xếp các tinh thể gần như không đổi và có tính dẫn từđịnh 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 sắt lên tới 1,6 đến 1,65 T (Tesla), trong khi đó tôn cán nóng chỉ tăng được từ 1,3 đến 1,45T từđó giảm được tổn hao trong máy, dẫn đến giảm được trọng lượng kích thước máy, đặc biệt là rút bớt đáng kể chiều cao của MBA, rất thuận tiện cho việc chuyên trở Tuy nhiên tôn cán lạnh giá thành cóđắt hơn, nhưng do việc giảm được tổn hao và trọng lượng máy nên người ta tính rằng những MBA được chế tạo bằng loại tôn này trong vận hành vẫn kinh tế hơn MBA được làm bằng tôn cán nóng.

Hiện nay ở các nước, tất cả các MBA điện lực đều được thiết kế bởi tôn các lạnh, (như các loại tôn cán lạnh của Nga, Nhật, Mỹ, CHLB Đức…v v)

Lõi sắt gồm 2 bộ phận chính đó là trụ(T) và gông(G) Trụ là nơi đểđặt dây quấn.

ĐỒÁNTỐTNGHIỆPThiết kế máy biến áp đầu máy một pha

Dây quấn ôm lấy trụ sắt, gông từ chỉ giáp phía trên và phía dưới dây quấn mà không bao lấy mặt ngoài của dây quấn, trụ sắt thường bố tríđứng, tiết diện trụ có dạng gần hình tròn, kết cấu này đơn giản, làm việc bảo đảm, dùng ít vật liệu, vì vậy hiện nay hầu hết các MBA điện lực đều sử dụng kiểu lõi sắt này(Hình 1.3)

b.Lõi sắt kiểu bọc:

Kiểu này gông từ không những bao lấy phần trên và phần dưới dây quấn mà còn bao cả mặt bên của dây quấn Lõi sắt như bọc lấy dây quấn, trụ thường để nằm ngang, tiết diện trụ có dạng hình chữ nhật MBA loại này cóưu điểm là không cao nên vận chuyển dễ dàng, giảm được chiều dài của dây dẫn từ dây quấn đến sứ ra, chống sét tốt vì dùng dây quấn sen kẽ nên điện dung dây quấn Cdq lớn, điện dung đối với đất Cđ nhỏ nên sự phân bốđiện áp sét trên dây quấn đều hơn nhưng kiểu lõi sắt này có nhược điểm là chế tạo phức tạp cả lõi sắt và dây quấn, các lá thép kĩ thuật điện nhiều loại kích thước khác nhau khi dây quấn quấn thành ống tiết diện tròn, trong trường hợp dây quấn quấn thành ống chữ nhật thìđộ bền về cơ kém vì các

SINHVIÊN :PHẠMBÙIANHTUẤN

Hình 1.3: Kết cấu mạch từ kiểu trụa Một pha; b Ba pha;

9

ĐỒÁNTỐTNGHIỆPThiết kế máy biến áp đầu máy một pha

lực cơtác dụng lên dây quấn không đều, tốn nguyên vật liệu Lõi sắt loại này thường được sử dụng chế tạo cho các MBA lòđiện (Hình 1.4)

c.Lõi sắt kiểu trụ – bọc ( Hình 1.5):

Là kiểu lõi sắt có sự liên hệ giữa kiểu trụ và kiểu bọc Kiểu này hay dùng trong các MBA một pha hay ba pha với công suất lớn (hơn 100000KVA /1 pha)vàđể giảm bớt chiều cao của trụ ta có thể san gông sang hai bên

Đối với MBA có lõi sắt kiểu bọc và kiểu trụ – bọc thì hai trụ sắt phía ngoài cũng thuộc về gông Để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên, lõi sắt được ghép từ những lá thép kĩ thuật điện cóđộ dày 0,35mm có phủ sơn cách điện trên bề mặt.

H×nh 1.4 KÕt cÊu m¹ch tõ kiÓu bäc a Mét pha ; b Ba pha ;

ĐỒÁNTỐTNGHIỆPThiết kế máy biến áp đầu máy một pha

Các kiểu ghép trụ và gông với nhau: Theo các phương pháp ghép trụ và gông vào nhau ta có thể chia lõi sắt thành 2 kiểu đó là lõi ghép nối và ghép xen kẽ.

*Ghép nối: là kiểu ghép mà gông và trụ ghép riêng sau đóđược đem nối với nhau nhờ những xà và bulong ép ( hình 1.6a) kiểu ghép này ghép đơn giản nhưng khe hở không khí giữa trụ và gông lớn nên tổn hao và dòng điện không tải lớn, vì thế mà kiểu này ít được sử dụng.

*Ghép xen kẽ: là từng lớp lá thép của trụ và gông lần lượt đặt xen kẽ ( hình 1.6b) sau đó dùng xàép và bulong ép chặt Muốn lồng dây vào thì dở hết phần gông trên ra, cho dây quấn đãđược quấn trên ống bakelit lồng vào trụ, trụđược nêm chặt với ống bakelit bằng cách nêm cách điện ( gỗ,bakelit) sau đó xếp lá thép vào gông như cũ vàép gông lại.

Hình 1.5 Mạch từ kiểu trụ –bọc1 :Trụ ;2 :Gông ;3 :Dây quấn

ĐỒÁNTỐTNGHIỆPThiết kế mỏy biến ỏp đầu mỏy một pha

Để giảm bớt tổn hao do tớnh dẫn từ khụng đẳng hướng khi ghộp cỏc lỏ thộp ta cú thể thờm những mối nối nghiờng giữa trụ và bốn gúc, hay cú thể cắt vỏt gúc lỏ thộp kĩ thuật điện như (hỡnh 1.6.c.d.e).

Do dõy quấn thường quấn thành hỡnh trũn, nờn tiết diện ngang của trụ sắt thường làm thành hỡnh bậc thang gần trũn.

Gụng từ vỡ khụng quấn dõy do đúđể thuận tiện cho việc chế tạo tiết diện ngang của gụng cú thể làm đơn giản, hỡnh vuụng hỡnh chữ nhật hay chữ T Tuy nhiờn hiện nay hầu hết cỏc MBA điện lực người ta hay dựng tiết diện gụng hỡnh bậc thang cú số bậc gần bằng số bậc của tiết diện trụ.

Lượt 2Lượt 1

Lượt 2 Lượt 1

ĐỒÁNTỐTNGHIỆPThiết kế máy biến áp đầu máy một phaHình 1.6 Thứ tự ghép lõi sắt ba pha.

a Ghép nối; b Ghép xen kẽ mối nối thẳng; c Ghép xen kẽ mối nối nghiêng 4 góc;

d Ghép xen kẽ mối nối nghiêng 6 góc; e ghép xen kẽ hỗn hợp.

1.5.2 Dây quấn máy biến áp.

Dây quấn là bộ phận dẫn điện của MBA, làm nhiệm vụ thu năng lượng vào và truyền năng lượng ra Kim loại làm dây quấn thường bằng đồng, cũng có thể bằng nhôm ( ít phổ biến).

Dây quấn gồm nhiều vòng dây vàđược lồng vào trụ lõi sắt giữa các vòng dây, dây quấn có cách điện với nhau và các cuộn dây được cách điện với lõi.

Dây quấn MBA gồm có 2 cuộn cuộn cao áp (CA) cuộn hạáp (HA) đôi khi còn có cuộn trung áp (TA).

Theo cách sắp xếp dây quấn CA và HA , người ta chia ra hai loại dây quấn chính đó là : Dây quấn đồng tâm và dây quấn xen kẽ

ĐỒÁNTỐTNGHIỆPThiết kế máy biến áp đầu máy một pha

b Dây quấn xen kẽ(Hình1.8) : Cuộn

CA và HA được quấn thành từng bánh có chiều cao thấp và quấn xen kẽ, do đó giảm được lực dọc trục khi ngắn mạch Dây quấn xen kẽ có nhiều rãnh dầu ngang nên tản nhiệt tốt nhưng về mặt cơ thi kém vững chắc so với dây quấn đồng âm Dây quấn kiểu này có nhiều mối hàn giữa các bánh dây.

H×nh 1.7 D©y quÊn xen kÏ

1.5.3 Vỏ máy biến áp:

Vỏ MBA là bộ phận bảo vệ lõi MBA tránh tác động của các điều kiện ngoại cảnh như môi trường khí hậu Vỏ MBA gồm hai bộ phận thùng và nắp thùng

a Thùng MBA :

Thùng máy làm bằng thép, thường là hình bầu dục Lúc MBA làm việc, một phần năng lượng bị tiêu hao, thoát ra dưới dạng nhiệt đốt nóng lõi thép, dây cuốn và các bộ phận khác làm cho nhiệt độ của MBA tăng lên Do đó giữa MBA và môi trường xung quanh có một hiệu số nhiệt độ gọi là nhiệt độ chênh Nếu nhiệt độ chênh vượt quá qui định thì sẽ làm giảm tuổi thọ cách điện và có thể gây sự cốđối với MBA

Trong các MBA để tăng cường làm nguội MBA khi vận hành thì lõi MBA được ngâm trong môi trường dầu Nhờ sựđối lưu trong dầu, nhiệt truyền từ các bộ phận bên trong MBA sang dầu rồi từ dầu qua vách thùng và truyền ra môi trường xung quanh Lớp dầu sát vách thùng nguội dần sẽ chuyển dần xuống phía dưới và lại tiếp tục làm nguội một cách tuần hòan các bộ phận bên trong MBA Mặt khác dầu MBA còn làm nhiệm vụ tăng cường cách điện.

Tùy theo dung lượng MBA, mà hình dáng và kết cấu thùng dầu khác nhau Loại thùng dầu đơn giản nhất là thùng dầu phẳng thường dùng cho các MBA dung lượng từ 30KVA trở xuống.

Đối với các MBA cỡ trung bình và lớn, người ta dùng loại thùng dầu cóống hay loại thùng có bộ tản nhiệt.

Hình 1.9 Thùng dầu kiểu ống Hình 1.10 Thùng dầu có bộ tản nhiệtỞ những MBA có dung lượng đến 10.000KVA Ta dùng những bộ tản nhiệt có thêm quạt gióđể tăng cường làm nguội MBA.

Ở những MBA dùng trong trạm thủy điện, dầu được bơm qua một hệ thống ống nước để tăng cường làm nguội máy

b Nắp thùng:

Nắp thùng MBA dùng đểđậy thùng và trên đóđặt các chi tiết máy quan trọng như: Các sứ ra của đầu dây CA và HA, bình giãn dầu, ống bảo hiểm, hệ thống rơle bảo vệ, bộ phận truyền động của bộđổi nối các đầu điều chỉnh điện áp của dây quấn CA

• Các sứ ra của dây cuốn CA và HA làm nhiệm vụ cách điện giữa dây dẫn ra với vỏ máy Điện áp càng cao thì kích thước và trọng lượng sứ ra càng lớn.

• Bình giãn dầu: là một thùng hình trụ bằng thép đặt nằm ngang trên nắp thùng và nối với thùng bằng một ống dẫn dầu Để bảo đảm dầu trong thùng luôn luôn đầy, phải duy trì dầu ở một mức nhất định Đần trong thùng MBA thông qua bình giãn dầu giãn nở tự do Ống chỉ mức dầu đặt bên cạnh bình giãn dầu để theo dõi mức đầu bên trong.

• Ống bảo hiểm: Làm bằng thép thường là trụ nghiêng, một đầu nối với thùng, một đầu bịt bằng một đĩa thủy tinh Nếu vì lí do nào đó màáp suất dầu trong thùng cao quá mức cho phép thìđĩa thủy tinh sẽ vỡđể dầu thoát ra lối đó tránh hư hỏng MBA Chúýống bảo hiểm đầu đặt đĩa thủy tinh quay về phía ít người qua lại hay những vị tríít nguy hiểm nhất

Xét sơ dồ nguyên lý của một MBA1 pha(hình1.11).

Hình 1.11 Nguyên lý làm việc của MBA

Đây là sơđồ MBA 1 pha 2 dây quấn, máy gồm có 2 cuộn dây Cuộn sơ cấp có W1 vòng dây và có cuộn thứ cấp có W2 vòng dây được quấn trên lõi thép.

Khi đặt một điện áp xoay chiều v1 vào dây cuốn sơ cấp trong đó sẽ có dòng điện i1 Trong lõi thép và sinh ra từ thông móc vòng với cả hai cuộn

ZW1 W2

dây sơ cấp và thứ cấp, cảm ứng ra các sức điện động e1 và e2 ở cuộn sơ cấp có sức điện động sẽ sinh ra dòng điện i2đưa ra tải với điện áp là u2.

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.

= - =1

= -W== mcosmt

= 2E 1sin(s 2

= -wW mcosmt t 2E 22

πi n (

Trong đó:

=4,44fW11 m E2=2

W φω

= 21

Nếu không kểđiện áp rơi trên các dây quấn thì có thể coi U1≈E1, U2≈E2

do đó k có thể coi như tỉ sốđiện áp giữa dây quấn sơ cấp và thứ cấp.

1.7 MỤCĐÍCHYÊUCẦUVÀNHIỆMVỤ:

Đểđảm bảo về tính toán hợp lý tốn it thời gian, việc tính toán MBA sẽ lần lượt tiến hành theo trình tự như sau:

1 X ác định các đại lượng cơ bản:

• Tính dòng điện pha, điện áp pha của các dây quấn

• Xác định điện áp thử của các dây quấn

• Xác định các thành phần của điện áp ngắn mạnh

2 Tính toán các kích thước chủ yếu

• Chọn sơđồ và kết cấu lõi sắt

• Chọn loại và mã hiệu tôn Silic, cách điện của chúng, chọn cường độ tự cảm của lõi sắt

• Chọn các kết cấu và xác định các khỏang cách cách điện chính của cuộn dây

• Tính toán sơ bộ MBA chọn quan hệ kích thước chủ yếu ệ theo đại số io, Po, θm, Pn đã cho

• Xác định đường kính trụ, chiều cao dây quấn, tính tóan sơ bộ lõi sắt.

3 T ính toán dây quấn CA và HA

• Chọn dây quấn CA và HA

• Tính cuộn dây HA

• Tính cuộn dây CA

4 Tính toán ngắn mạch

• Xác dịnh tổn hao ngắn mạch

• Tính toàn điện áp ngắn mạch

• Tính lực cơ của dây quấn khi MBA bị ngắn mạch

5 Tính toán cuối cùng về hệ thống mạch từ và tham số không tải của máy MBA

• Xác định kích thước cụ thể của lõi sắt

• Xác định tổn hao không tải

• Xác định dòng điện không tải và hiệu suất

6 Tính toán nhiệt và hệ thống làm nguội MBA

• Tiêu chuẩn về nhiệt độ chênh

• Tính toán nhiệt MBA

• Tính tóan gần đúng trọng lượng và thể tích bộ giãn dầu

PHẦNII: THIẾTKẾ

CHƯƠNG I:

CHỌNSƠĐỒĐIỀUCHỈNHVÀKẾTCẤUMẠCHTỪMỘTPHAI.1 Các phương pháp điều chỉnh

Khác với máy biến áp thông thường, MBA đầu máy có một số tính chất riêng, khi thiết kế cần lưu ý.

- Công suất MBA được xác định từcông suấtđộng cơ 1 chiều kéo đầu máy, kích thước và trọng lượng MBA phụ thuộc vào công suất này.

- Bên cạnh đó MBA cần thiết điều chỉnh điện áp trong phạm vi từ 0 →

U → Do đó cần tăng cường đảm bảo chống ngắn mạch, độ bền điện vàđộ bền cơ khí cao, chống chấn động.

Muốn đảm bảo các yêu cầu trên cần lưu ý sử dụng các vật liệu có chất lượng cao để tăng tuổi thọ cho MBA Thường thì MBA đầu máy có tuổi thọ thấp Trong khi tuổi thọ trung bình của MBA điện lực là 40 năm thìMBA đầu máy chỉ khoảng 20 năm.

Một phần tử rất quan trọng của MBA đầu máy là bộ phận thay đổi điện áp Nóđược tính toán với chếđộ làm v iệc khắc nghiệt đến 1000 lần thây đổi điện áp đầy tải trong 1 ngày Phần tử này làm việc nặng nề nhất và hay hư hỏng nhất Có nhiều phương pháp điều chỉnh điện áp MBA

Sơđồ nối dây máy biến áp , điều chỉnh điện áp phía 22kV

1 Điều chỉnh điện áp phía cao áp

Điện áp được điều chỉnh bằng 1 MBA tự ngẫu, máy thường được chế tạo kiểu bọc MBA chính thưòng có 2 trụ, ngoài ra còn có bộ phận thay đổi điện áp gồm chuyển mạch các tiếp điểm công suất lớn và biến dòng.

Hình vẽ: Máy biến áp một pha mạch từ ba trụ

Để giảm trọng lượng, người ta chế tạo mạch điện từ kiểu 3 trụ Trụ I có từ thông Φ1 không đổi do điện áp lưới đặt lên số vòng dây không đổi sinh ra Trên trụ này đặt dây quấn tự dùng vàdây quấn sưởi ấm Từdây quấn MBA tự ngẫu sẽ nối với dây quấn trụ II vàdây quấn nối tiếp trụ III Từ thông trụ II làΦ2 gồm 0,5Φ1 và từ thông biến thiên Φx Trong đóΦx thay đổi tuỳ theo vị trí chuyển mạch ở MBA tự ngẫu Như vậy sự phân bố từ thông qua 3 trụ theo tỉ lệ 1:1,5:0,5.

Sử dụng loại lõi thép này không thể dùng dây quấn hình trụ, vì không thểđồng thời có 3 trụ tiết diện tròn khi số lá thép như nhau Người ta phải dùng dây quấnôvan thay cho dây quấn hình trụ, làm tăng giá thành vào khoảng 25% tiền công chế tạo Dùng dây quấnôvan sẽ tận dụng được diện tích cửa sổ MBA hơn là dùng dây quấn tròn Kích thước máy lợi này sẽ nhỏ hơn, kích thước thùng dầu và trọng lượng toàn bộ máy sẽ giảm đi so với loại máy 2 mạch từ riêng rẽ, xếp chung trong 1 thùng dầu Trọng lượng trên đơn vịcông suất vào khoảng 2,3 kg/KVA

2 Điều chỉnh điện áp phía hạáp

MBA điều chỉnh điện áp phía cao áp códòng điện qua chuyển mạch cỡ hàng trăm ampe, dây quấn thứ cấp đơn giản Nhưng có nhược điểm là trọng lượng máy sẽ lớn, hiệu suất sẽ nhỏ

MBA điều chỉnh điện áp phía hạáp, dây quấn cao áp không cóđầu phân áp, giảm vật liệu cách điện phần dây quấn vàđầu ra điện áp, đầu phân áp sẽđặt ởdây quấn hạáp vàđược điều chỉnh bằng động cơ Dòng điện các đầu tiếp xúcđiều chỉnh tới hàng chục KA MBA công suất lớn, số vòng dây thứ cấp ít vì vậy điệp áp điều chỉnh sẽ thô, thường phải dùng mạch chia dòng vàđiện kháng.

MBA đầu máy kiểu MBA tự ngẫu, điện áp lưới điẹn 22kv với tần số50hz Phần dây quấn hạáp được nối đất, códòng điện lớn, đầu phân áp

được đến các tiếp điểm chuyển mạch códòng điện hàng kA Đểdòng điện cân bằng, người ta dùng bộ chia dòng điện sơ - thứ cấp độc lập, vì tính rằng nếu mất nối đất các đầu phân áp của tự dùng, cung cấp cho sưởi ấm chịu điện áp bằng điện áp phía cao áp.

600 V1000 V2

8

3 MBA điều chỉnh bằng bão hoà từ

Điều chỉnhđiện áp bằng mạch từ bão hoà là phương pháp tiên tiến, phương pháp này không cần dùng bộ chuyển mạch công suất lớn, người ta hay dùng cách điều chỉnh này cho MBA cấp điện cho động cơ kéo công suất lớn Điều chỉnh điện áp trơn, không có tia lửa điện, dùng cho trường hợp không tĩnh tại, phù hợp cho động cơđầu máy kéo toa xe.

Transductor điều chỉnh thường được nối theo 2 cách

a) Hai transductor song song, dùng để chuyển tải từđầu phân áp này sang đầu phân áp khác, nó làm nhiệm vụ chuyển mạch.

b) Sử dụng mạch từ bão hoà có mạch liên hệ ngược, các cặp điôt ngược và hạn chế dòng ngắn mạch, lại đảm bảo nối đầu phân áp lân cận Dây quấn sơ cấp MBA nối vào lưới 25kv máy cóđầu phân áp 22,5kv Dây quấn thứ cấp nối qua chỉnh lưu để cấp cho ĐC Dây quấn này gồm 2 phần cóđiện áp như nhau 465V, một trong 2 phần chia làm 6 phần cóđầu phân áp 6x77,5 Điện áp điều chỉnh mỗi nấc 77,5V từ 0÷930V Ngoài ra dây quấn tự dùng vàdây quấn tự cấp lò sưởi

Theo cách này người ta đã chế tạo MBA đầu máy cócông suất 1385KA điện áp 25kv/22,5kv Động cơ kéo MBA và chuyển mạch bộ phận làm mát và transductor, đặt chung ở một toa xe Dẫn điện bằng cáp 1 lõi, tiết diện 150mm2, điện áp thử 80kv (cáp cao áp từ lưới đến MBA) MBA đầu máy kiểu vừa xem xét do hãng Micafil chế tạo có sứ ra kiểu điện dung Sứ ra cao 3m, từ MBA lên đến mái của toa xe Ngoài ra bọc ngoài sứ làống bằng đồng cóđường kính 80mm Máy biến dòng để dưới mái, sứ ra được kẹp trên mái chống rung, phía tiếp nối với nắp MBA phải có doãng kín để không chảy dầu MBA đầu máy có hình dáng không giống với MBA thông thường Từđầu phân áp nối ra, chuyển mạch bằng đồng thanh đi dưới sàn toa.

I.2 Chọn sơđồđiều chỉnh và kết cấu mạch từ

Qua phân tích những đặc điểm của 3 phương pháp điều chỉnh điện áp nêu trên, ta thấy phương pháp điều chỉnh điện áp phía cao áp là phù hợp hơn cả Với sơđồđiều chỉnhđiện áp phía cao áp, nếu như ta chế tạo mạch từ riêng rẽ thì trọng lượng máy sẽ lớn Vì vậy cách tốt nhất là chế tạo mạch từ hợp nhất giữa MBA tự ngẫu và MBA chính thành mạch từ 3 trụ Với mạch từ 3 trụ ta có thể có 2 cách đặt dây quấn.

a) Có 2 trụđặt dây quấn, trụ còn lại không códây quấn (có thể là 2 trụ biên đặt dây quấn, trụ giữa trống, hoặc 2 trụ kề nhau đặt dây quấn, trụ biên để trống)

Dây quấn tự dùng và chuyển tiếp cho lò sưởi đặt trên cùng trụ củadây quấn MBA tự ngẫu vì trụ này có từ thông không đổi Trên trụ códây quấn MBA chính từ thông biến đổi từ 0 đến cực đại Nếu coi tiết diện trụ MBA tự ngẫu là 100% thì trụ giữa có tiết diện 50% Với giả thiết trên, tỷ lệ vòng dây quấncao áp MBA tự ngẫu gấp 2 lần dây quấn MBA chính ở mỗi trụ.

Sơ bộ chọn diện tích tiết diện trụ MBA như sau:St = 30 3 cm2

Với S –công suất cực đại MBA tự ngẫu, KVA

Tiết diện lõi thép là chữ nhật, có tỷ lệ chiều rộng và chiều dài giới hạn là 1:3, chênh lệch quá sẽ tốn dây dẫn Cường độ từ cảm Bm = 1,85 T

Chếđộ phát nóng tính cho TH làm việc lâu dài với Bm = 1,75 mà nhiệt độ vẫn trong giới hạn cho phép.

Dòng không tải càng lớn thìhiện tượng quááp khi đóng máy vào lưới càng nguy hiểm

Tiết diện dây quấn chọn sao cho mật độdòng điện nhỏ hơn hoặc bằng 6 A/mm2 ởdây quấn MBA chính, dòng điệnít thay đổi, có thể chọn mật độdòng điện 5A/mm2 như vậy là trị số này lớn hơn ở MBA thường 50→60% Điều này dẫn đến việc phải tăng cường làm mát, dầu làm mát đưa thẳng vào dây quấn, vào rãnh dầu cóđịnh hướng Làm mát dầu cưỡng bức bằng bơm tuần hàn đưa dầu làm mát ngoài MBA.

Dây quấn phải cóđộ bền cơ học cao để chống ngắn mạch, cóđộ bền chịu được quááp vàđộ bền chịu nhiệt khi quá tải, chủ yếu chống được lực hướng trục Ví dụdây quấn MBA chia làm 2 nhánh, sao cho ngắn mạch ở một nhánh hay là 2 nhánh thìđều có cân bằng sức từđộng Đặc biệt bố tríđầu phân áp MBA tự ngẫu khi điều chỉnh phía CA hoặc phía HA

* Dòng ngắn mạch IR, lực ngắn mạch Fk có thểđược hạn chế bằng cách tăng điện áp ngắn mạch MBA đầu máy thường cóđiện áp ngắn mạchuk=8÷15%

Điện áp ngắn nạch dây quấn tự dùng và sưởi muốn đạt được trị sốđã cho phải tăng rãnh từ tản chính hoặc nối thêm cuộn kháng ứng suấtdây quấn tự dùng dây quấn sưởi, được chọn cao tới 1500kg/cm2 Để phân bốđiện áp đồng đều giữa 2 lớp, ở MBA quấn kiểu nhiều lớp, các lớp được nối với nhau theo cùng chiều MBA cóđiện áp 22kv phải tăng cường cách điện ra 2 phía dây quấn, dòng 0,9mm Ngoài ra với các vị tríđặc biệt cần tăng thêm cách điện đến 30÷50% Dây quấn galet, do phân bốđiện áp không đều cần tăng khoảng cách giữa các galet đến 10mm.

Khi thí nghiệm MBA, tính thời gianđểđạt đến nhiệt độổn đỉnh của máy 5 → 10h Dây dẫn có mật độ dòng tới 6A/mm2, chọn bề mặt làm mát sao cho ứng suất nhiệt không vượt quá 5w/m2, độ tăng nhiệt độ không

quá700.Dây quấnđồng tâm hình trụ cần có rãnh thông dầu 5mm dọc trục Rãnh thông dầu hướng kính chọn không nhỏ hơn 20% chiều rộng dây quấn

CHƯƠNGII TÍNHTOÁNMÁYBIẾNÁPII.1 Tính toán máy biến áp chính

II.1.1 Tính toán dây quấn và mạch từ

MBA đầu máy thiết kếởđây gồm 1 MBA tự ngẫu có nhiệm vụđiều chỉnhđiện áp (RAT) và MBA chính (HT) Hai MBA này được đặt chung trên mạch từ 3 trụ RAT đặt riêng trên 1 trụ, 2 trụ còn lại đặt dây quấn HT Dây quấn tự dùng T và dùng để sưởi ấm S đặt trên cùng trụ với RAT vì trụ này có từ thông không đổi theo các nấc thay đổi điện áp

Hình vẽ II.1 Sơđồ nối dây của máy biến áp đầu máy

Tiết diện các trụ XĐ theo độ lớn từ thông Nếu gọi trụ I xuất phát từ HT, ở nấc điều chỉnh thứ 33 điện áp tíư cấp của MBA tự ngẫu là 20000V, phần dây quấn trên trụ II cóđiện áp 15000V (U1’’), phần dây quấn trên trụ III cóđiện áp Ut’’’ = 5000V (phân bố theo tỷ lệ từ thông trên các trụ 1,54 và 0,54) Tương tự ta cóđiện áp phía thứ cấp MBA chính là U2’’ = 750V, U2’’’ = 250V

123456789101112131415161718192021222324252627282930313233

Giả sử hệ sốđiền đầy kt-0,96, ta có diện tích hình học các trụ:

cmSt =

cmSt =≈

cmSt ==

Kích thước lõi thép trụ I chọn theo tỷ lệ a:b=1:3 (a là bề rộng, b là chiều dày), chiều dày 3 trụ chọn bằng nhau

Trụ I: aIbI = 25.74,6 = 1865 cm2

Trụ II: aII = aI

Trụ III: aIII = aI

Cường độ từ cảm chọn ứng với điện áp cực đại BII = BIII = 1,607TĐiện áp trên 1 vòng dây:

U2’’ = 750V ⇒ n2 = 88,95

(vòng)Trụ III: U1’’’ = 5000V

⇒ n1 =

U2’’’ = 250V ⇒ n2 = 893,31

UU

Công suất MBA chính : Sđc = 7000KVADòng sơ cấp: I1 = 350()

Phía hạáp mỗi dây quấn cócông suất là: 350KVA

→ Dòng thứ cấp: I2 = 3500()1000

Đểđạt được trị sốđiện áp ngắn mạch ta chia dây quấn xen kẽ thành 2 nhóm nối song song Trong thực tế người ta thường thực hiện như sau: Xác định cách đặt dây quấn, sau đó tính điện áp ngắn mạch, cuối cùng điều chỉnh trị số này bằng cách chọn lại số nhóm dây nối song song hoặc thay đổi kích thước mạch từtrường hợpđang xét, thích hợp nhất làđặt dây quấn như sau:

Dòng điện sơ cấp ở mỗi nhánh là:I1’ = 0,5.I1 = 0,5.350 = 175 (A)

Chọn mật độdòng điệnδ1’ = 5,08 A/mm2 ta tính được tiết diện dây quấn

- Khe hở giữ bánh dây : 2 x 3 x 9 = 54mm

- Khe làm mát chính 1 x 40 mm và nửa khe ngăn cách giữa 6m tổng là 46mm

Dây quấn sơ cấp (vn)

- Dây quấn : 8 x 7,4 = 59,2 mm

- Khe hở giữa các bánh dây : 7 x 11 = 77 mm- Khe làm mát chính : 1 x 40 = 40m

Tổng chiều cao nửa dây quấn mỗi trụ : 318,6mm

Truï IIITruï II

Hình II.4 Bố trí dây quấn ổ trụ II và III

Chiều caodây quấn là : h = 2.318,6 = 637,2mmSau khi ép chặt: h = 630mm

Khoảng cáchdây quấnđến gông, phía trên là 45mm, phía dưới là 35mm

→ Chiều cao cửa sổ là: h0 = 630 + 45 + 35 = 710mm

Khoảng cách dây quấn cao – hạáp, khoảng cách dây quấn – gông, xác định tương ứng với điện áp thử 75kv ở tần sốcông nghiệp và 150kv điện áp sóng xung 1,2/50µs

Giữa các khoảng cách cóđặt vật liệu các điện, hơn nữa chỗ tiếp nối còn đặt nhỏ ra tối thiểu 12mm

a2 2

12nn