Thiết kế máy biến áp - Đồ án

Thiết kế máy biến áp

LỜI NÓI ĐẦU

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

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

SP = 250 kVA Uđm = 6,3/0,4 kV I0% = 2%

P0 = 610 W UK% = 4 Pk = 4100 W Tổ nối dây Dy11 Điều chỉnh 2x2,5%

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: =

Dung lượng trên mỗi trụ:

2 Dòng điện dây định mức: - Phía cao áp:

- Phía hạ áp:

3 Điện áp pha định mức: - Phía cao áp:

Ud1 = Uf1 = 6,3 kV - Phía hạ áp:

Uf2 2 = 231 V 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'P2

1 = k S3

1 = k S =0,45 83,333

=1,51 cm

aR khoảng cách phụ thuộc kích thước hình học của dây quấn hạ áp và cao áp, vậy:

=1,2+1,51= 2,713

Từ cảm trong gông BG = 1,6/1,02=1,57 T Twf camr khe hở không khí ở mối nối 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 và tổn hao từ hoá trong trụ:

Suất tổn hao trong thép: -Trong trụ

pFeT = 1,230 W/kg -Trong gông

pFeG = 1,17 Ư/kg Tổn hao từ hoá -Trong trụ

qFeT = 1,602 VA/kg

-Trong gông

qFeG = 1,486 VA/kg -Trong khe hở không khí

+Nối thẳng qK”= 1,92 VA/cm2 +Nối nghiêng qK’= 0,272 VA/cm25 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

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

50.3,65.1,6 .0,88 =14,0495

+A1 = 5,66.10-2.a.A3.kl = 5,66.10-2.1,36.14,043.0,88 = 187 kg +A2 = 3,6.10-2.A2.kl.l0 = 3,6.10-2.14,042.0,88.4 = 25,1 kg +B1 = 2,4.10-2.kl.kG.A3.(a+b+e)

= 2,4.10-2.0,88.1,02.14,043(1,36+0,4+0,411) = 129,43 kg e = 0,411 đối với thang nhiều bậc

+ B2 = 2,4.10-2.klkG.A2.(a12+a22)

= 2,4.10-2.0,88.1,02.14,042.(1,2+2,2) = 14,44 kg + C1 =

2

+ M =

trong đó:

kn = (1+e )u

1 unxnru.-

= (1+e )4

= 43,84

M =

ST = 0,785.kl.kG.A2.x2

= 0,785.0,88.1,02.14,042.x2 = 139x2 + Tiết diện khe hở vuông góc:

S”K= ST = 139x2 + Tiết diện khe hở chéo S’K = ST/ 2 =98,29x2

+ Tổn hao không tải, theo công thức 13-24:

P0 = k’f.( pT.GT + pG.GG ) = 1,25.( 1,23.GT + 1,17.GG ) = 1,538.GT + 1,463.GG

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: Q0 = k”f (Qc + Qf + QK)

= 1,25.( 1,602.GT + 1,486.GG + 64,08.Gg + 120,9x2 ) = 2.GT + 2,972.GG + 80,1.Gg + 151x2

Lập bảng tính giá trị các tham số cơ bản ứng với từng giá trị của β biến thiên từ 1,2 đến 3,6;từ đó xác định được gía trị β tối ưu :

P0 = 1,538.GT + 1,463.GG

557,17 662,52 688,52 753,39 816,75Q0 = 2.GT + 2,972.GG +

80,1.Gg + 151x2

2174,100 2750,43 3284,48 3787,81 4266,50

Gdq= C1/x2 = 188,82/x2 172,37 140,74 121,88 109,01 9,52GCu = 1,66.Gdq 286,14 233,63 202,33 180,97 165,20KCuFe.GCu = 2,21.GCu 632,35 516,31 447,14 399,93 365,09C’td = GFe + kCuFe.GCu 1002,6 931,82 908,07 905,39 931,97J=

4100.94,

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= 41,69= 1,14

Tiết diện lõi sắt sơ bộ:

76,21.=.d12 π

=39,33 cm Chiều cao trụ lõi sắt sơ bộ

lT = l + 2.l0 = 39,33 + 2.4 = 47,33 cm Khoảng cách giữa các trụ lõi sắt sơ bộ C = d12+ a12 + 2a2 + a22

= 21,76 + 1,2 + 0,4.16 + 2,2 = 31,56 cm Điện áp của một vòng dây

uv = 4,44.f.BT.ST.10-4 = 4,44.50.1,6.181.10-4 = 6,43 V

Trọng lượng sắt sơ bộ : GFe = 407,18 kg

Trọng lượng đồng sơ bộ: Gdq = 145,29 kg

Mật độ dòng điện sơ bộ: J = 3,32 A/mm2

ỉng suất trong dây quấn: σcp = 13,39 Mpa

Tổn hao không tải P0 = 610,41 W Dòng không tải % I0% = 0,97

2 Số vòng dây trong một pha của dây quấn hạ áp: w1 =

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

uv =

3 Mật độ dòng điện trung bình: Theo công thức 13-18 Jcp =

5 Số vòng dây của một lớp : w11 =

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

6 Chiều cao hướng trục của mỗi vòng dây: hv1 =

Kích thước dây hạ áp như sau: PB – 2x x79,52

02x1,4

s1 = 2x79,52= 159,04 mm2

9 Mật độ dòng điện thực trong dây quấn J1 =

= 2,27 A/mm2

10 Chiều cao tính toán của dây quấn hạ áp

l1 = hv1.(w11 + 1) + 1 = 2,05.(18+1) = 39,95 cm

a01 a a1

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 a1 = 2.4,6 +5 = 14,2 mm = 1,42 cm

12 Đường kính trong dây quấn hạ áp: D1’ = d+2a01

a01: 5mm = 0,5 cm; d= 16cm D1’ = 16 +2.0,5 = 17 cm

13 Đường kính ngoài của dây quấn hạ áp: D1” = D1’ + 2.a1

a1 = 1,42 cm, D1’ = 17 cm D1” = 17+ 2.1,42 = 19,84 cm

14 Bề mặt làm lạnh của dây quấn hạ áp: M1 = t.kK.π.(D1’+D1’’).l1.10-4

t: số trụ tác dụng, t = 3

kK hệ số xét đến sự che khuất bề mặt của dây quấn, kK = 0,75 thay vào:

M1 = 3.0,75.π.(17+19,84).39,95.10-4 = 1,04 m2

15 Trọng lượng đồng dây quấn hạ áp , theo công thức 13-76a

1 w s 102

= .36.159,042

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 chỉnh được bố trí thành hai nhóm trên dưới dây quấn nối tiếp với nhau và phân bố đều trên 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.UlvSơ đồ điều chỉnh điện áp

A x5 x4 x3 x2 x1 12 12

2 Số vòng dây cuộn cao áp ứng với Uđm

w2 =

= 982 vòng

3 Điện áp ở một cấp điều chỉnh

Δu = 2,5%.U2 = 2,5%.6,3.103 = 157,5 V 4 Số vòng dây cao áp ở một cấp điều chỉnh: wđc =

s2’ =

= = 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 lớp tiết 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 suất của máy nhỏ thì ta có thể khắc phục được những nhược điểm này trong khi chọn lựa thông số dây quấn và kiểu cách tản nhiệt

Theo bảng VI.1 họn dây dẫn tròn mã hiệu PTEV có quy cách như sau:

PTEV-2x ;4,3646,2

9 Tiết diện thực của mỗi vòng dây, s2 = 2.4,36 = 8,72 mm2

10.Mật độ dòng điện thực trong mỗi vòng dây

J2 =

= = 2,62 A/mm211 Số vòng dây trong một lớp:

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

Bố trí dây quấn như sau:

Lớp thứ nhất đến lớp thứ 11: 80.11 = 891 vòng Lớp thứ 12: 54 + 2.12 =78 vòng

=2,46.13 + 2.0,12.(13-2) + 5= 34,8 mm=3,48 cm 17 Đường kính trong của dây quấn cao áp

= 30,16 + 2,2 = 32,36 cm

20 Diện tích bề mặt làm lạnh của dây quấn

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

2 s w 102

160 5 14,2 12 34,8 22

φ161 40 φ164

φ165 20

3 φ179,2 φ183,2 φ186,2 φ191,2 φ226

Sơ đồ bố trí quận dây và kích thước chính của dây quấn hạ áp và cao áp

III Tính toán các tham số ngắn mạch A Tổn hao

1 Tổn hao chính

- Tổn hao đồng trong dây quấn hạ áp Theo công thức 13-75

PCu1 = 2,4.J2.GCu1

= 2,4.2,272.88,6 = 1096 W - Tổn hao đồng trong dây quấn cao áp PCu2 = 2,4.J2.GCu2

2 s w 102

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

= 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

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 = 0,9595

+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 GCur1 = lr1.sr1.γCu

Vì hạ áp đấu Y nên lr1 = 7,5 l1 = 7,5.39,95 = 299,63 cm GCur1 = 299,63.159,04.8900.10-8 = 4,24 kg

Vậy tổn hao dây dẫn ra hạ áp là: PCur1 = 2,4.2,272.4,24 = 52,44 W

- Khối lượng đồng dây dẫn ra của dây quấn cao áp GCur2 = lr2.sr2.γCu

Vì cao áp đấu Δ nên lr1 = 14.l1 = 14.39,95 = 559,3 cm GCur2 =559,3.8,72.8900.10-8 = 0,434 kg

Vậy tổn hao dây dẫn ra cao áp là: PCur2 = 2,4.2,622.0,434 = 7,15 W

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 Δ% = 100%

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

B Điện áp ngắn mạch

1 Thành phần tác dụng Theo công thức 13-81 unr =

2 Thành phần phản kháng

Trong đó

a12 1 2 = 2,83

+ kR = 1-σ(1- σ1-e ) = σ =

.aaa12 1 2

++ = 0,048

thay giá trị σ vào

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

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

2 0,952.1042

III Tính toán lực cơ học khi ngắn mạch

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

2 Dòng ngắn mạch cực đại tức thời Theo công thức 13-86

imax = 2.kM.In

kM = (1+e ) (1 e 3,65 )65,1.u

+= = 1,24

imax = 2.1,24 572,5=1004 A 3 Lực hướng kính

Theo công thức 13-87

FK = 0,628.( imax.w2)2.β.kR.10-6

= 0,627.(1004.982)2.1,69.0,952.10-6 =0,98 Mpa 4 ứng suất nén

- Trong dây quấn hạ áp σnrHA =

10.98,

Với dây đồng : 30MPa≥σcp ≥ 18Mpa, như vậy giá trị σnrHA tính được thoả mãn điều kiện về ứng suất nén ngang trục(do lực hướng kính gây nên)

- Trong dây quấn cao áp

σnrCA =

=

l.2a.FK R

= 0,98.106.

=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 bánh dây, ở đây ta chỉ xét riêng cho dây quấn hạ áp do nó phải chịu lực ép điện động cực đại trong dây quấn, nếu nó thoả mãn thì điều kiện này đối với dây cao áp cung thoả mãn

σn =

σn =

10).5,042,1.(10.219,8417

nhỏ, độ từ thẩm theo chiều cán lớn nên có thể làm giảm tổn hao sắt của m.b.a Trụ ép bằng băng đai thuỷ tinh không có tấm sắt đệm Gông ép bằng xà ép gông, Kích thước tập lá thép như hình vẽ, như trên đã chọn tiết diện trụ có 8 bậc và tiết diện gông có 5 bậc, ta có bảng tổng hợp kết quả tính toán trụ và gông như sau:

3 Tổng tiết diện các bậc trong trụ Theo công thức 13-94

SbT = 2.ΣaT.bT

=2.(15,36.2,24+14,08.1,575+1,19.12,48+10,08.1,225+7,52.0.84 + 4.48.0,595)

= 185,53 cm2 4 Tiết diện có ích của trụ ST = SbT.kc

kC hệ số ép chặt, ở đây ta lấy kC = 0,98 ST = 0,98.185,53 = 181,82 cm2

5 Tiết diện bậc thang của gông Theo công thức 13-95

S’G = kG.SbT

kG = 1,02

S’G = 1,02.185,53 =189,24 cm2 6 Tiết diện có ích của gông SG = kC.SG’

n1 =

bδ ;

δT là chiều dày mỗi lá thép, δT = 0,35 mm thay vào biểu thức trên n1 =

δ = 0,353,153

= 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 Ta lấy l0 = l0’ = 4cm

lT = 39,95 + 2.4 = 47,95 cm 10 Khoảng cách giữa hai tâm trụ theo công thức 13-100

C = D2” + a22

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 C = 30,21+2,2 =32,41 cm

12 Trọng lượng sắt trong gông Theo công thức 13-102 GG = GG’ + GG”

- GG’ là trọng lượng phần thẳng nằm giữa hai trụ biên,

GG’ = 2.(t-1).C.SG.γFe.10-6

γFe trọng lượng riêng của thép, γFe =7650 kg/m3 GG’ = 2.(3-1).32,5.185,46.7650.10-6 = 184,44 kg - GG” là trọng lượng phần gông ở các góc

theo công thức 13-102b GG” = 4.

= 2.Gg

= 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

GT’ = t.lT.ST.γFe.10-6

= 3.47,95.181,82.7650.10-6 = 200 kg

- GT” là trọng lượng phần trụ nối với gông theo công thức 13-103b

GT” = t.(a1G.ST.γFe.10-6 – Gg )

= 3.(15,36.181,82.7650.10-6- 18,26) = 9,31 kg

Vậy trọng lượng của sắt trong trụ là: GT = GT’ + GT”

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:

- Hệ số tự cảm trong trụ

BT =

=

− = 1,59 T

- Hệ số tự cảm trong gông là BT =

=

Bkn =

= = 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 nối thẳng, 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 tiết diện gông ảnh hưởng đến sự phân bố từ cảm trong trụ và gông, vì số bậc 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 thép giảm 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