Thiết kế máy biến áp điện lực ba pha ngâm dầu bằng máy tính

ếu 21 Xác định sơ bộ trọng lượng tác dụng 27 Tính toán dây quấn 36 Tính toán dây quấn hạ áp 36 Tính toán dây quấn cao áp 38 Tính toán các tham số ngắn mạch 41 Tổn hao ngắn mạch 41 Xác định điện áp ngắn mạch 45 Tính lực cơ học của dây quấn khi ngắn mạch 47 Tính toán cuối cùng về mạch từ 52 Kích thước cụ thẻ lõi sắt 52 Tính tổn hao, dòng điện không tải và hiệu suất của của máy biến áp 56 Chương III - Chương trình thiết kế MBA bằng máy tính Phân tích và thiết kế chương trình 60 Sơ đồ khối thể hiện chương trình 61 Một số hình ảnh về giao diện của chương trình 61 Những hạn chế và phương hướng 67 Minh họa một đoạn Code của chương trình 67 TàI LIệU THAM KHảO 95 Lời cảm ơn Sau một thời gian làm việc được sự hướng dẫn trực tiếp tận tình của cô giáo TS. Phan Thị Huệ cùng với sự chỉ bảo của các thầy cô giáo trong bộ môn Thiết bị điện - Điện tử. Đến nay em đã hoàn thành bản đồ án với đề tài "Thiết kế Máy biến áp điện lực ba pha ngâm dầu bằng máy tính” Trước khi trình bày vào nội dung của cuốn đồ án em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cô giáo TS. Phan Thị Huệ, các thầy cô giáo trong khoa Điện –Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội cùng gia đình, bạn bè đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho em hoàn thành bản đồ án này . Sinh viên Nguyễn Tuấn Minh Lời nói đầu Trong nền kinh tế hiện đại, năng lượng điện đóng vai trò quan trọng. Nó có mặt trong hầu hết các lĩnh vực sản xuất và cuộc sống thường nhật. ở Việt Nam, một quốc gia đang phát triển, sự ứng dụng của những năng lượng mới gần như không có. Năng lượng điện càng đóng vai trò chủ đạo. Với những lợi thế về địa hình và khoáng sản (than đá), thuỷ điện và nhiệt điện ở nước ta tương đối phát triển. Vấn đề đặt ra là truyền tải, phân phối và sử dụng nguồn năng lượng quý giá này. Máy biến áp điện lực là một thiết bị quan trọng trong việc truyền tải điện năng với mục đích giảm thiểu sự tổn hao và chi phí đường dây. Vì vậy, việc ngiên cứu, tính toán, thiết kế và chế tạo ra những máy biến áp đạt chỉ tiêu kinh tế, kĩ thuật nhằm đáp ứng những yêu cầu của hệ thống điện là một vấn đề cần quan tâm. Thiết kế MBA bằng máy tính còn là một khái niệm mới mẻ. Nó đem lại rất nhiều tiện ích như tính toán nhanh, chính xác, dễ dàng thay đổi hay lựa chọn các phương án tối ưu nhất . Sau gần năm năm học tập tại trường, sinh viên đã có những kiến thức cơ bản về chuyên ngành của mình. Đồ án tốt nghiệp có thể coi là thử thách cuối cùng, nó đòi hỏi sự vận dụng những kiến thức vào công việc cụ thể mang tính tập sự. Đồ án tốt nghiệp cũng có thể coi là tiêu chuẩn đánh giá kiến thức của sinh viên trước khi ra trường. Trong bản thuyết minh này em đã sử dụng những tài liệu như “Thiết kế Máy Điện” của tác giả Trần Khánh Hà và Nguyễn Hồng Thanh, “Máy Biến áp – Lý thuyết, vận hành, bảo dưỡng, thử nghiệm” của thầy Phạm Văn Bình và Lê Văn Doanh và đặc biệt là cuốn sách “Thiết kế Máy Biến áp Điện Lực” của tác giả Phan Tử Thụ. Bên cạch đó còn một số tài liệu khác được liệt kê ở phần Tài liệu tham khảo. Nhưng do khả năng và trình độ có hạn nên bản đồ án này còn rất nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy cô. Em xin chân thành cảm ơn ! Chương I Giới thiệu chung về máy biến áp Khái niệm chung Để dẫn điện từ các tạm phát điện đến hộ tiêu thụ cần phải có đường dây tải điện. Nếu khoảng cách từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ lớn thì việc đặt ra cần giải quyết là làm sao để truyền tải diện năng đi xa được kinh tế nhất. Sơ đồ mạng truyền tải điện đơn giản Việc làm tăng điện áp truyền tải ở trạm phát sẽ làm dòng điện chạy trên đường dây giảm xuống làm chi phí đường dây và tổn hao giảm đi. Nhờ vậy ta có thể truyền tải công suất lớn đi xa. Ngược lại, ở nơi tiêu thụ lại thường yêu cầu điện áp thấp, do đó tới đây ta cần thiết bị để giảm điện áp xuống. Vậy để có thể tăng điện áp ở đầu đường dây và hạ điện áp tại nơi tiêu thụ ta phải dùng một loại thiết bị gọi là máy biến áp. Máy biến áp điện lực là một thiết bị điện từ tĩnh có chức năng biến đổi dòng điện xoay chiều điện áp này thành dòng điện xoay chiều điện áp khác với tần số không thay đổi để truyền tải, phân phối điện năng và tạo nguồn cho các phụ tải đặc biệt. Máy biến áp là một bộ phận rất quan trọng trong hệ thống điện . Như chúng ta đã biết các nhà máy điện thường ở cách xa hộ tiêu thụ, mặt khác tổn hao trên đường dây và tiết diện dây dẫn tỉ lệ nghịch với điện áp. Nên việc truyền tải điện năng từ nhà máy điện đến hộ tiêu thụ trong hệ thống điện hiện nay cần phải có tối thiểu 4 á 5 lần tăng giảm điện áp. Do đó tổng công suất của máy biến áp gấp 4 á 5 lần tổng công suất máy phát điện. Gần đây người ta tính rằng nó có thể gấp (6 á 8) lần hay hơn nữa. Chính vì vậy máy biến áp có chất lượng cao, làm việc tin cậy là vấn đề cần quan tâm. Hiệu suất của máy biến áp rất cao (98 á 99%) nhưng vì số lượng máy biến áp nhiều nên tổng tổn hao trong hệ thống rất lớn. Để giải quyết vấn đề này, xu hướng thiết kế máy biến áp và việc hoàn thiện công nghệ chế tạo cũng như trình độ tay nghề công nhân để đạt được các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật cao là điều hết sức có ý nghĩa. Tính kinh tế trong việc chế tạo MBA có những khía cạnh như: Tính kinh tế trong việc chế tạo và tính kinh tế trong vận hành. Kinh tế trong chế tạo là giá thành còn kinh tế trong vận hành cosj, hiệu suất, thời gian phục vụ. Thông thường các chỉ tiêu kinh tế này khó đạt được đồng thời, chỉ khi nào có được điểm cực đại của tính hiệu quả trong chế tạo MBA. Trong những năm gần đây, ngành chế tạo MBA nước ta đã có những tiến bộ rất lớn nhất là trên lĩnh vực về sản xuất vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu từ, công nghệ chế tạo, quy trình thử nghiệm MBA,… cho nên đã chế tạo được MBA với dung lượng lớn đến 63000 (KVA), điện áp 110 KV. Vấn đề cấp bách hiện nay là cung cấp một lượng MBA khá lớn với chất lượng cao, vậy nên xu hướng phát triển công nghệ MBA ở nước ta là tăng cường đầu tư thiết bị công nghệ để nâng cao độ tin cậy của MBA. Công nghệ chế tạo MBA cũng gặp rất nhiều khó khăn trong việc đầu tư thiết bị sản xuất. Người thiết kế MBA phải thiết kế MBA phù hợp với công nghệ sản xuất của nhà máy cũng như trình độ tay nghề của công nhân. Nguyên lý làm việc cơ bản của MBA Máy biến áp làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ. Giả sử xét máy biến áp một pha hai dây quấn (Hình vẽ). Dây quấn 1 có w1 vòng dây và dây quấn 2 có w2 vòng dây được quấn trên lõi thép như hình vẽ . Cuộn 1 được gọi là cuộn sơ cấp, cuộn 2 gọi là cuộn thứ cấp. Khi cho dòng điện xoay chiều có điện áp u1, dòng điện i1, tần số f1 vào cuộn sơ cấp, dòng xoay chiều này sẽ tạo nên một từ thông xoay chiều f trong lõi thép. Từ thông này móc vòng với cả hai dây quấn, cảm ứng trong hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp các sức điện động e1, e2. Khi thứ cấp máy biến áp nối với tải sức điện động e2 sẽ sinh ra một dòng điện i2. Điện áp thứ cấp lúc đó là u2. Như vậy năng lượng đã được truyền từ sơ cấp sang thứ cấp . Nguyên lý làm việc của máy biến áp Giả sử dòng sơ cấp có dạng i=I0sinwt (A) từ thông xoay chiều có dạng f = f0sinwt (Wb) Theo định luật cảm ứng điện từ, sức điện động cảm ứng trong các dây quấn có dạng Trong đó: Là các giá trị hiệu dụng của suất điện động dây quấn. Người ta định nghĩa hệ số biến đổi Với : w1, w2 : số vòng cuộn sơ cấp, thứ cấp F0 : Giá trị cực đại của từ thông Cấu tạo Lõi thép MBA 3 pha kiểu trụ có dây quấn Máy biến áp gồm 2 bộ phận chính: Lõi thép Lõi thép dùng làm mạch để dẫn từ đồng thời làm khung để quấn dây vì vậy yêu cầu có từ trở nhỏ, suất tổn hao nhỏ và chắc chắn. Lõi thép được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện (tôn silic) để giảm tổn hao dòng Fucô. Hơn nữa lõi sắt có thể chịu được những lực cơ học lớn khi dây quấn bị ngắn mạch vì vậy yêu cầu thứ hai của lõi sắt là phải bền và ổn định về cơ khí để đảm bảo lúc nâng cẩu lõi an toàn. Ngày nay, người ta đã sản xuất nhiều loại thép mỏng và có suất tổn hao nhỏ. Lõi sắt MBA gồm có hai phần: Phần trụ và phần gông, trụ là phần lõi thép có dây quấn, gông là phần lõi thép nối các trụ lại với nhau thành mạch từ kín. Các MBA điện lực thường dây quấn được quấn thành hình trụ nên tiết diện ngang của trụ sắt có dạng bậc thang đối xứng nội tiếp. Đường kính d của đường tròn được gọi là đường kính trụ sắt, đó là một tham số quan trọng về kích thước, kết cấu của MBA. Các MBA dung lượng lớn, để đảm bảo làm mát các phần bên trong thì trong lõi phải có các rãnh dầu. Có thể tạo các rãnh dầu bằng những thanh sắt nhỏ. Số bậc thang trong trụ càng nhiều thì tiết diện càng hình tròn. Những số tập lá tôn càng tăng làm cho quá trình công nghệ chế tạo, lắp ráp lõi sắt càng trở nên phức tạp. Hiện nay trụ và gông thường được gép chéo với nhau bằng phương pháp xen kẽ. Sau khi ghép, lõi thép được ghép chặt bằng xà ép và bu lông để tạo thành một bộ đảm bảo chắc chắn. Vì lí do an toàn, toàn bộ lõi thép được nối đất với vỏ máy và vỏ máy phải được nối đất. Có hai kiểu lõi sắt: Lõi sắt kiểu trụ: dây quấn ôm lấy trụ, gông từ không bao lấy mặt ngoài dây quấn. Lõi sắt kiểu bọc: lõi thép "bọc" lấy dây quấn, gông bao lấy phần trên phần dưới và cả mặt bên của dây quấn. Máy biến áp kiểu trụ Máy biến áp kiểu bọc Dây quấn Dây quấn là bộ phận dùng để thu nhận năng lượng vào và truyền tải năng lượng đi. Trong biến áp hai dây quấn có cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp. Thường dây quấn sơ cấp là cuộn cao áp và dây quấn thứ cấp là cuộn hạ áp. Các MBA điện lực hiện nay chủ yếu dùng dây quấn đồng tâm với lõi sắt kiểu trụ. Dây quấn hạ áp thường quấn phía trong gần trụ thép, dây quấn cao áp được quấn phía ngoài bọc lấy dây quấn hạ áp. Với cách quấn như thế này có thể giảm được điều kiện cách điện của dây quấn cao áp như: kích thước rãnh dầu, vật liệu cách điện dây quấn. Các kiểu dây quấn: Dây quấn đồng tâm: Cuộn cao áp và cuộn hạ áp quấn trên một trục có dạng hình ống đồng tâm với nhau. Cuộn hạ áp đặt trong, cuộn cao áp đặt ngoài nhằm giảm bớt cách điện giữa dây quấn và trụ. Dây quấn xen kẽ: Cuộn cao áp và hạ áp được quấn thành từng bánh có chiều cao thấp và quấn xen kẽ nhằm giảm được lực dọc trục khi ngắn mạch. Các kiểu dây quấn đồng tâm chính: Dây quấn hình ống tiết diện chữ nhật hoặc tròn: Dây quấn hình ống, dây chữ nhật Dây quấn hình ống nhiều lớp, dây tròn Loại dây này dùng dây tiết diện chữ nhật hoặc tròn quấn thành hình trụ. Khi tiết diện dây nhỏ thì dùng dây dẫn tròn quấn thành nhiều lớp. Dây quấn hình tròn thường làm dây quấn cao áp, điện áp tới 35 kV. Dây quấn tiết diện lớn dùng dây chữ nhật có dạng bẹt thường quấn thành hai lớp, chủ yếu dùng làm dây quấn hạ áp với điện áp từ 6 kV trở xuống, dung lượng nhỏ hơn 500 kVA. Hiện nay người ta hay dùng dây quấn hình ống nhiều lớp phân đoạn tiết diện tròn. Như vậy sẽ giảm được điện áp giữa các lớp phân đoạn và tăng cường tản nhiệt trong các đoạn dây nhờ các rãnh dầu nhưng giá thành chế tạo cao hơn. Dây quấn hình xoắn: Dây quấn hình xoắn. a) mạch đơn; b) mạch kép Dây quấn gồm một hay nhiều sợi dây chữ nhật dạng bẹt chập lại và quấn theo chiều trục như đường ren ốc. Các sợi dây chập thường xếp theo hướng kính và nhất thiết phải có tiết diện và kích thước các sợi như nhau. ở giữa các vòng dây có rãnh hở để dầu lưu thông. Nếu chập các sợi thành một mạch quấn từ trên xuống dưới ta có dây quấn hình xoắn mạch đơn, khi dòng điện lớn cần phải chập thành hai mạch để quấn gọi là dây quấn hình xoắn mạch kép. Kiểu dây quấn này có số vòng ít tiết diện lớn nên thường dùng cho dây quấn hạ áp. Khi quấn cần phải hoán vị để chiều dài các sợi dây bằng nhau nhằm mục đích giảm dòng cân bằng giữa các vòng dây. Ưu điểm của loại dây quấn này là chịu lực cơ học tốt, tản nhiệt tốt. Đối với dây quấn hình xoắn mạch đơn, theo chiều dài dây người ta thường hoán vị tập trung ba chỗ. Còn đối với dây quấn hình xoắn mạch kép người ta lại sử dụng cách hoán vị phân bố đều. Dây quấn xoắn mạch đơn, hoán vị tập trung Dây quấn xoắn mạch kép, hoán vị phân bố đều Cách hoán vị phân bố đều Dây quấn xoắy ốc liên tục Dây quấn xoắn ốc liên tục Dùng dây dẫn tiết diện chữ nhật quấn liên tục thành nhiều bánh theo đường xoắn ốc phẳng. Như vậy chiều cao bánh dây bằng chiều cao sợi dây. Suốt chiều dài cuộn dây không có mối hàn nào để nối giữa các bánh, nên được gọi là dây quấn liên tục. Nhược điểm của dây quấn này là quấn phức tạp. Dây quấn xoắn ốc liên tục chủ yếu làm cuộn cao áp. Yêu cầu chung đối với dây quấn Yêu cầu về vận hành Khi vận hành dây quấn biến áp có điện áp do đó cách điện giữa các pha phải tốt, nghĩa là phải chịu được điện áp làm việc bình thường và quá điện áp do đóng ngắt mạch hay do xung sét gây nên. Dây quấn không bị biến dạng hoặc hư hỏng dưới tác dụng của lực cơ học do dòng điện ngắn mạch gây nên. Khi vận hành bình thường cũng như trong trường hợp ngắn mạch, trong một thời gian nhất định dây quấn không được có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ cho phép vì khi đó chất cách điện sẽ bị nóng, bị già hoá làm cho nó mất tính đàn hồi, hoá dòn và giảm cách điện. Vì vậy khi thiết kế phải đảm bảo cho tuổi thọ chất cách điện từ 15 đến 20 năm. Yêu cầu về chế tạo Dây quấn phải có kết cấu đơn giản, tốn ít vật liệu và nhân công, thời gian chế tạo ngắn và giá thành hạ. Cuộn dây điều chỉnh điện áp: Như ta đã biết tải của MBA luôn thay đổi. Khi tải thay đổi điện áp ra của MBA cũng thay đổi theo. Để duy trì điện áp ra ổn định cần phải thiết kế các đầu dây điều chỉnh điện áp để thay đổi số vòng dây cho thích hợp. Các đầu dây điều chỉnh (đầu phân áp) thường được bố trí trên cuộn cao áp vì dòng điện cao áp nhỏ nên có thể làm bộ đổi nối nhỏ gọn đơn giản. Mặt khác cuộn cao áp có nhiều vòng dây nên có thể tinh chỉnh. ở các MBA giảm áp muốn tăng hay giảm điện áp các cuộn hạ áp thì ta phải giảm hay tăng số vòng dây của cuộn cao áp. Việc điều chỉnh điện áp nói trên được tiến hành bằng tay khi MBA đã được cắt ra khỏi lưới điện, người ta gọi đó là điều chỉnh không tải. Muốn điều chỉnh tự động mà không phải cắt MBA ra khỏi lưới thì phải có thiết bị điều chỉnh điện áp tự động dưới tải. Tiêu chuẩn quốc tế về điều chỉnh điện áp: Tất cả các MBA dầu công suất từ 25 á 200.000 kVA khi điều chỉnh không có kích thích thì ở cuộn cao áp có 4 cấp điều chỉnh tương ứng là: ±2.5% điện áp định mức. Việc chuyển đổi các đầu điều chỉnh điện áp được tiến hành nhờ bộ đổi nối riêng biệt đặt trong MBA có tay quay điều khiển. Các kiểu điều chỉnh điện áp: Sơ đồ điều chỉnh điện áp ở cuộn cao áp. Đoạn dây điều chỉnh ở cuối dây quấn (hình vẽ a) Kiểu này hay dùng trong các MBA công suất tới 160 kVA với dây quấn hình ống nhiều lớp, lúc đó các đầu phân áp nằm ở lớp ngoài. Đối với các MBA có công suất từ 250 kVA trở lên, để tránh lực cơ học tác dụng lên các vòng dây khi ngắn mạch thường 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 nhau (hình b). Đoạn dây điều chỉnh nằm ở giữa dây quấn nối ngược (hình c) Kiểu này thường dùng cho các MBA có công suất không quá 1000 kVA và điện áp đến 35 kVA. Với dây quấn hình ống nhiều lớp phân đoạn hay dây quấn xoắn ốc liên tục thường dùng kiểu điều chỉnh này. Để đảm bảo từ thông cùng chiều trong lõi sắt, hai nửa cuộn dây phải quấn ngược chiều. Kiểu này lực chiều trục nhỏ, nhưng điện áp giữa hai đầu A, X rất lớn nên phải tăng cường cách điện ở đó, chiều cao dây quấn sẽ tăng lên. Đoạn dây điều chỉnh ở giữa dây quấn nối thuận (hình d) Kiểu này cũng dùng cho các loại dây quấn như kiểu thứ hai nhưng với điện áp cao hơn và khắc phục được những nhược điểm nêu trên. Ngoài hai bộ phận chính máy biến áp còn các bộ phận kết cấu như hệ thống làm lạnh vỏ máy, sứ cách điện ... Công nghệ chế tạo Máy biến áp trong hệ thống truyền tải điện thường được thiết kế với công suất lớn (tới hàng trăm ngàn KVA). Kích thước của máy biến áp tăng chậm so với công suất. Công nghệ chế tạo máy biến áp đóng vai trò quan trọng trong việc hạ giá thành máy biến áp và tăng độ tin cậy của nó. Do tính đa dạng về chủng loại máy biến áp nên công nghệ chế tạo máy biến áp cũng gặp rất nhiều khó khăn trong việc đầu tư thiết bị sản xuất. Nhà máy chế tạo máy biến áp thường có 6 phân xưởng chính: Chế tạo lõi sắt, chế tạo dây quấn, chế tạo cách điện, chế tạo vỏ máy, chế tạo các chi tiết cơ khí và phân xưởng lắp ráp thử nghiệm. Tiêu chuẩn hoá trong việc chế tạo MBA Để đảm bảo sự ổn định của chất lượng điện năng cũng như những yêu cầu về vận hành và điều kiện làm việc của MBA. Khi thiết kế chế tạo người ta phải tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn nhà nước đặt ra. Các tiêu chuẩn chế tạo MBA điện lực được xây dựng trên cơ sở đảm bảo sự phát nóng cho phép, năng lực quá tải, sơ đồ tổ nối dây, dung lượng, điện áp định mức, điều chỉnh điện áp, không tải, ngắn mạch... Các tiêu chuẩn này thường được biến đổi theo từng giai đoạn phụ thuộc vào công nghệ, chất lượng yêu cầu. Một vài tiêu chuẩn tiêu biểu (TCVN 1984-1994) và IEC 76. Công suất danh định Sđm (kVA) của MBA 3 pha: 10; 25; 31.5; 50; 63; 80 và các bội số của nó Điện áp danh định : 0.4; 3; 6.3; 10; 22; 35... So với tiêu chuẩn cũ thì những tiêu chuẩn mới về MBA hiện nay có những yêu cầu cao hơn như tổn hao giảm đáng kể, hiệu suất tăng, giảm mức tăng nhiệt độ cho phép, mở rộng phạm vi sử dụng điều chỉnh điện áp dưới tải, tăng cường những yêu cầu và trang bị của MBA bằng các thiết bị kiểm tra chất lượng và bảo quản dầu. Sử dụng vật liệu mới trong chế tạo MBA Việc phát triển MBA liên quan chặt chẽ tới những tiến bộ trong việc sản xuất các vật liệu cách điện, dẫn từ và dẫn điện. Điều đó đòi hỏi các ngành công nghiệp tương ứng phải sản xuất ra các vật liệu mới. Vật liệu dùng trong MBA thường có 3 loại: Vật liệu tác dụng: Là vật liệu để dẫn điện và dẫn từ dùng làm dây quấn và lõi thép Vật liệu cách điện: Dùng để cách điện giữa các cuộn dây, dây quấn. Ngoài ra nó còn là sứ và dầu MBA... Vật liệu kết cấu: dùng để giữ và bảo vệ. Vật liệu quan trọng trước tiên trong ngành chế tạo MBA là lá tôn silic (thép kỹ thuật điện). Trong nhiều năm lõi thép MBA dùng chủ yếu là tôn cán nóng dầy 0,5 mm và 0,35 mm loại tôn này có suất tổn hao cao. Khoảng vài năm gần dây người ta đã thay thế nó bằng loại tôn cán lạnh là loại tôn có vị trí sắp xếp các tinh thể gần như không đổi và dẫn từ đẳng hướng. Do đó suất tổn hao giảm nhỏ từ 2 đến 2,5 lần. Hiện nay loại tôn 0,27 mm của Nhật được sử dụng rộng rãi bởi vì tổn hao do dòng Fucô là rất nhỏ. Dùng tôn cán lạnh cho phép tăng cường độ từ cảm trong lõi thép nên giảm được tổn hao, trọng lượng và kích thước của máy. Vật liệu tác dụng thứ 2 của MBA là kim loại làm dây quấn. Trong nhiều năm đồng vẫn là kim loại duy nhất dùng để chế tạo dây quấn. Bởi vì đồng có điện trở suất nhỏ, dẫn điện tốt, dễ gia công, đảm bảo độ bền cơ và điện. Gần đây người ta đã dùng nhôm thay đồng làm dây quấn, nhôm có ưu điểm nhẹ, giá thành rẻ nhưng có nhược điểm là điện trở suất lớn, độ bền cơ kém. Về vật liệu cách điện thì phần lớn trong MBA đều dùng dây quấn có cách điện bằng giấy cáp thuộc cách điện cấp A có nhiệt độ giới hạn cho phép là 105 0C, chiều dầy cách điện cả hai phía là 0,5 mm. Một loại cách điện hay dùng bọc dây dẫn nữa là men cách điện (êmay). Việc thay cách điện bọc từ giấy cáp sang tráng men không những làm cho lớp cách điện mỏng hơn, độ bền cơ điện tốt hơn mà còn có tác dụng làm giảm trọng lượng dây quấn lõi sắt. Đối với MBA khô, hay dùng nhưng giây dẫn có bọc cách điện cấp cao hơn như giây cách điện bằng thuỷ tinh, giây nhôm. Với loại dây dẫn có cấp cách điện cao hơn thì nhiệt độ cho phép cao hơn nên có thể chọn mật độ dòng điện trong giây dẫn lớn hơn vì thế kích thước cuộn dây nhỏ đi. Vai trò và ảnh hưởng Máy biến áp có mặt ở khắp mọi nơi trong hệ thống điện. Nó có ảnh hưởng tương đối rộng. Giả sử một động cơ điện bị hỏng nó chỉ ảnh hưởng đến một khâu truyền động hay một phân xưởng nào đó. Nhưng máy biến áp bị hỏng nó sẽ ảnh hưởng dến toàn bộ nhà máy hoặc một khu dân cư. Các loại máy biến áp đặc biệt Máy biến áp lò: Được dùng trong công nghiệp luyện kim, phổ biến nhất là máy biến áp lò hồ quang dùng cho lò luyện thép, sản xuất kim loại màu. Máy biến áp lò thực chất là nguồn điện có tần số công nghiệp, điện áp thấp và dòng điện rất lớn. Người ta điều chỉnh điện áp bằng các phương pháp khác nhau, có thể điều chỉnh dưới tải hoặc không tải. Tải của MBA lò là dòng hồ quang nấu kim loại. MBA lò thường được làm mát bằng dầu cưỡng bức. Máy biến áp thí nghiệm Dùng để xác định độ bền cách điện điện áp cao của thiết bị điện. Thường là loại máy một pha, điện áp có thể tới 1000KV hoặc hơn. Công suất và điện áp cao áp của máy quan hệ với nhau thông qua độ lớn, điện dung của thiết bị thử, cường độ từ cảm B được chọn thấp. Tiết diện dây dẫn được chọn đủ lớn để đề phòng ngắn mạch. MBA này được làm mát tự nhiên. Máy biến áp hàn Dùng để cấp nguồn cho tải hàn một chiều hoặc xoay chiều. Các máy biến áp hàn hồ quang được chế tạo sao cho có đặc tính ngoài rất dốc để hạn chế được dòng điện ngắn mạch và đảm bảo hồ quang ổn định. Máy biến áp thường có điện áp không tải khoảng 75V và bằng 30V ở tải định mức. Công suất máy biến áp hàn thường từ 20 á 100 KVA. Với MBA hàn lớn người ta điều chỉnh dòng hàn nhờ MBA tự ngẫu vì vậy MBA hàn không cần có đầu phân áp. MBA hàn có thể làm mát bằng dầu hoặc bằng quạt gió. Máy biến áp chỉnh lưu Máy biến áp có đặc điểm là tải của các pha không đồng thời mà luân phiên nhau vì vậy máy biến áp luôn làm việc ở tình trạng không đối xứng do đó phải chọn sơ đồ nối dây sao cho đảm bảo được điều kiện từ hoá bình thường. Thường thì phải tăng số pha của dây quấn thứ cấp lên thành 6 pha. Máy biến áp đo lường Máy biến áp đo lường gồm hai loại: máy biến dòng điện và máy biến điện áp dùng để biến đổi điện áp cao hoặc dòng điện lớn thành những đại lượng nhỏ đo được bằng những dụng cụ đo tiêu chuẩn hoặc dùng trong mạch bảo vệ. Trong thực tế máy biến dòng có thể chế tạo theo MBA kiểu bọc hay kiểu lõi, nhiều trường hợp dây quấn bằng đồng lá, mật độ dòng điện chọn rất thấp. Máy biến điện áp thường chế tạo 5 trụ, dùng loại thép dầy 0,35 mm có hệ số từ thẩm cao. Máy biến áp ngắn mạch Dùng để tạo ra dòng ngắn mạch lớn trong thí nghiệm chuyển mạch, đóng ngắt điện áp cao, hoặc kiểm tra độ bền dây quấn của MBA công suất lớn. Ngoài ra còn có cuộn kháng điện làm việc như MBA dùng để tăng điện kháng và MBA một pha dùng cho đầu máy chạy điện... Thiết kế máy biến áp Nhiệm vụ thiết kế MBA: Nhiệm vụ của người thiết kế máy biến áp là tính toán ra một MBA đảm bảo tính năng kỹ thuật của sản phẩm đạt các tiêu chuẩn của nhà nước quy định hoặc yêu cầu của khách hàng. Đồng thời tìm khả năng hạ giá thành để đạt hiệu quả kinh tế cao nhất. Những số liệu cần biết khi thiết kế MBA: Dung lượng MBA: Sđm (kVA) Số pha: m Tần số: f Điện áp định mức Uđm (kVA), hạ áp U1đm, cao áp U2đm Số cấp và phạm vi điều chỉnh Sơ đồ tổ nối dây Phương pháp làm nguội Các điều kiện khác (Đặc điểm của tải, điều kiện môi trường) Các tiêu chuẩn cần áp dụng (hoặc yêu cầu của khách hàng như: un(%) Pn (W), Po (W), io (%). Trình tự thiết kế: Căn cứ yêu cầu và nhiệm vụ bắt đầu công việc thiết kế. Trước tiên căn cứ vào yêu cầu và kinh nghiệm sản xuất mà chọn kết cấu cơ bản của MBA. Hiện nay thường dùng loại ba pha ba trụ có dây quấn đồng tâm ngâm dầu. Lõi sắt bố trí trên mặt phẳng. Trên cơ sở của kết cấu đã chọn trình tự tính toán tiếp theo là: Quyết định kích thước chủ yếu d và l của lõi sắt và dây quấn. Tính toán kích thước và bố trí dây quấn. Kiểm nghiệm đặc tính bao gồm: un, Pn, ứng suất của lực điện động. Xác định chính xác hệ thông mạch từ và tổn hao không tải Po, dòng không tải io% và trọng lượng lõi sắt. Tính toán nhiệt, thiết kế sơ bộ thùng dầu và bộ tản nhiệt. Tính toán lượng vật liệu tác dụng rồi so sánh kinh tế giữa các phương án. Chương II Trình tự Tính toán thiết kế máy biến áp Tính toán các kích thước chủ yếu Xác định các đại lượng điện cơ bản Dung lượng một pha: KVA Dung lượng trên mỗi trụ: KVA S : là công suất định mức của MBA (KVA) m : số pha máy biến áp Dòng điện dây định mức: - Phía cao áp: A U1 là điện áp định mức phía cao áp (KV) - Phía hạ áp: A U2 là điện áp định mức phía hạ áp (KV) Dòng điện pha định mức với dây quấn nối D/Yo: - Phía cao áp: A - Phía hạ áp: A Điện áp định mức pha với dây quấn nối D/Yo: - Phía cao áp: V - Phía hạ áp: V Điện áp thử dây quấn (Bảng 2 – TL1): Với dây quấn cao áp: Uth1 = 55 KV Với dây quấn hạ áp: Uth2 = 5 KV Chọn số liệu xuất phát và xác định các kích thước chủ yếu Chiều rộng quy đổi của rãnh từ tản giữa hai dây quấn: m Trong đó a12 là khoảng cách cách điện giữa dây quấn cao áp và hạ áp nó phụ thuộc vào điện áp thử. là một loại kích thước dài phụ thuộc vào công suất MBA. Theo kinh nghiệm có thể tính gần đúng bằng công thức: m Với a2 là chiều dày của cuộn hạ áp a1 là chiều dày cuộn cao áp. k là hệ số có thể tra từ Bảng 12 – TL1. Nó phụ thuộc vào công suất Hệ số Rogovski kr (hệ số quy đổi từ trường tản thực về từ trường tản lý tưởng). Đối với một dải công suất và điện áp rộng nói chung hệ số này thay đổi rất ít có thể coi là không đổi. Thường lấy kr = 0,95 Các thành phần điện áp ngắn mạch. Thành phần tác dụng: Pn là công suất ngắn mạch tính bằng (W) S là công suất định mức của máy biến áp (KVA) Thành phần phản kháng: Điện áp ngắn mạch un được tiêu chuẩn hoá ứng với mỗi công suất. Chọn thép: Thường dùng loại tôn cán lạnh của Nga với suất tổn hao nhỏ. Ta chọn tôn cán lạnh mã hiệu 3408 có chiều dầy 0,30 mm. Mật độ từ cảm trong trụ Bt = 1,55 á 1,65 T. Ta chọn Bt = 1,60; hệ số kg =1,025 được tra theo Bảng 6 – TL1. Trụ được ép bằng nêm với cuộn dây, gông được ép bằng xà ép, bu lông không xuyên qua trụ và gông. Sử dụng lõi thép với sự phối hợp 4 mối ghép chéo ở 4 góc và 2 mối ghép thẳng ở giữa (Hình vẽ). Theo Bảng 5 – TL1 chọn số bậc thang trong trụ là 7, số bậc thang gông ít hơn trụ 1 bậc; hệ số chêm kín kc = 0,918 (Bảng 4 – TL1). Hệ số kđ = 0,96 (Bảng 10 – TL1). Hệ số lợi dụng lõi sắt kld = kc.kđ = 0,918.0,96 = 0,881. Từ đó ta tra được suất tổn hao và suất từ hoá ứng với từ cảm trụ và gông lần lượt là (Bảng 45, 50 – TL1) Với Bt =1,6 T; Bg = Bt/kg = 1,6/1,025 = 1,56 T thì: Suất tổn hao sắt ở trụ và gông: pt = 0,961 W/kg; pg = 0,908 W/kg Suất từ hóa ở trụ và gông: qt = 1,320 W/kg; qg = 1,180 W/kg Suất từ hóa khe hở không khí với từ cảm ở khe hở không khí là: Khe hở mối nối thẳng B’k = Bt = 1,6 T: q’k = 17280 W/m2 Khe hở mối nối chéo B”k == 1,14 T: q”k = 2574 W/m2 Các khoảng cách cách điện. Là khoảng cách giữa các dây quấn với nhau cũng như giữa các dây quấn với bộ phận nối đất. Cách điện chính phải đảm bảo cho MBA làm việc chịu được những quá điện áp ngắn hạn do đóng cắt tải lớn hay sự cố. Cách điện được xác định trên cơ sở độ bền điện áp thử. Có thể được lấy từ Bảng 19 và 35 – TL1. Chọn theo Uth1 = 55 KV của cuộn CA: Cách điện giữa dây quấn cao áp và dây quấn hạ áp a12 = 21 mm Cách điện giữa hai dây quấn cao áp a11 = 20 mm Cách điện giữa dây quấn cao áp và gông l01 = 50 mm Xác định các hằng số tính toán a và b. Với d12 là đường kính trung bình cuộn cao áp và hạ áp hay khoảng cách giữa hai rãnh dầu (mm) d là đường kính trụ sắt (mm) a1 là chiều dày cuộn cao áp (mm) Gần đúng có thể lấy (Bảng 13,14 – TL1) a = 1,40 b = 0,40 Tính các hệ số cơ bản. Vấn đề ở đây là phải tìm được b tối ưu nhất, nghĩa là có những đặc tính của máy biến áp đã cho, giá thành máy biến áp nhỏ nhất, vận hành kinh tế nhất. Trị số b thường biến thiên trong phạm vi rộng từ 1,2 đến 3,6 nó ảnh hưởng rất rõ rệt tới tính kỹ thuật và kinh tế của máy biến áp. Thật vậy ta xét đến các tiêu chuẩn của máy biến áp về mặt kinh tế và kỹ thuật như thế nào để đạt yêu cầu: Về mặt kinh tế: nếu máy biến áp có cùng công suất, điện áp, các số liệu xuất phát và các tham số kỹ thuật khi b nhỏ thì máy biến áp “gầy” và “cao”. Nếu b lớn thì máy biến áp “béo” và “thấp” (Hình dưới). Với một số b khác nhau thì tỷ lệ trọng lượng sắt và đồng trong máy biến áp cũng khác nhau. b nhỏ thì lượng sắt ít, lượng đồng tăng lên, nếu b lớn thì lượng đồng giảm và lượng sắt càng tăng lên. Do đó chọn b thích hợp không chỉ ảnh hưởng đến kích thước mà còn ảnh hưởng đến vật liệu tác dụng và các vật liệu khác và ảnh hưởng tới giá thành của máy biến áp. Về mặt kỹ thuật: Khi b tăng lên thì đường kính d lớn lên và trọng lượng sắt tăng lên, do đó tổn hao sắt sẽ tăng. Dòng điện không tải cũng tăng lên, muốn giữ cho tổn hao này không đổi khi b tăng thì trọng lượng đồng phải giảm xuống. Lúc đó sẽ làm cho mật độ dòng điện và lực cơ tác dụng tăng lên dây quấn lại tăng lên. Ta thiết lập biểu thức tính đường kính d của trụ sắt để từ đó phân tích việc chọn b sao cho hợp lý khi thiết kế. Ta có thể chọn hệ số b theo hướng dẫn trong dải biến thiên của b từ 1,2 đến 3,6. Nhưng để xác định b chính xác hơn ta sẽ tính các số liệu và các đặc tính cơ bản của máy biến áp. Ta thiết lập biểu thức tính toán đường kính d của trụ sắt liên quan tới trị số b để từ đó phân tích việc chọn b sao cho hợp lý khi thiết kế Ta đã biết công suất trên một trụ St = U.I.10-3 (KVA) Thành phần phản kháng của điện áp ngắn mạch (theo lý thuyết MBA) % Hay %, ta rút ra được I Trong đó và uv là điện áp một vòng dây: V Trong đó Bt là từ cảm cực đại trong trụ (T) là tiết diện tác dụng của trụ sắt (m2) kld là hệ số lợi dụng của trụ sắt Thay vào ta được = Rút gọn và giải ra ta được: Trong biểu thức này có thể chia làm ba loại đại lượng: Thứ nhất các số liệu cho trước khi tính toán như St (KVA), f (Hz), unx (%) Thứ hai các đại lượng phải tính chọn như b, Bt, kld. Thứ ba các đại lượng xác định trong quá trình tính toán sau như ar, kr. Đối với máy biến áp thiết kế đã cho thì S, unx , f đã biết. Hệ số lợi dụng kld đối với một loại kết cấu lõi sắt và vật liệu làm lõi máy biến áp đã định cũng xem là không đổi. Trong biểu thức đường kính d chỉ còn b là biến đổi trong phạm vi rộng quyết định sự thay đổi đường kính d = A. x Trong đó A là hằng số: Và Hệ số lợi dụng lõi sắt kld = kc . kd = 0,918.0,96 = 0,881 kc là hệ số chêm kín, phụ thuộc vào cách ép trụ và gông (Bảng 4 – TL1) kd là hệ số điền đầy, có thể tra bảng (Bảng 10 – TL1) Xác định sơ bộ trọng lượng tác dụng Trọng lượng tác dụng lõi sắt Lõi sắt gồm hai phần trụ và gông. Căn cứ vào kích thước hình học của nó, biết tỷ trọng sắt, có thể tính được trọ._.ng lượng Trọng lượng sắt trụ: Theo “TL1” Trong đó t là số trụ tác dụng. Đối với máy biến áp 3 pha t = 3 γFe là tỷ trọng của sắt. Với tôn cán lạnh γFe = 7650 kg/m3 lo là khoảng cách tối thiểu từ cuộn cao áp đến gông Thông thường tỷ số d12/d ít thay đổi với một trị số a Thay d = A.x, d12 = a.d = a.A.x và b = x4 công thức tính Gt ta có Trong đó đối với máy biến áp 3 pha dùng tôn cán lạnh: kg kg Vậy Trọng lượng gông Khi tính toán, mỗi gông được xem gồm 2 phần: Một phần nằm trong 2 trụ biên có tiết diện Tg với chiều dài (t - 1).C, trọng lượng phần này là . Phần còn lại gồm 2 nửa góc mạch từ ở phía ngoài 2 trụ biên có trọng lượng là . Trọng lượng toàn bộ gông là: Trọng lượng sắt gông ở phần thứ nhất là: C là khoảng cách tâm trụ: a1 là chiều dầy cuộn CA, tính gần đúng: Trọng lượng sắt gông ở phần thứ hai – tức trọng lượng sắt ở 4 nửa góc mạch từ: e là hệ số qui đổi một nửa tiết diện trụ hình bậc thang về hình chữ nhật Thay trị số C, 2a1, a và d = A.x, d12 = a.A.x vào các công thức tính và và rút gọn ta có trong lượng sắt gông: Với máy biến áp 3 pha: kg kg Trọng lượng sắt một góc mạch từ: (kg) Trọng lượng tác dụng của lõi sắt là: Trọng lượng kim loại dây quấn. Chọn dây quấn là dây đồng làm dây quấn cao áp và hạ áp (A/mm2) (kg) Trong đó: (kg) Đối dây đồng kdq = 2,46.10-2 Giá thành vật liệu tác dụng Sau khi tính được trọng lượng sắt và trọng lượng dây quấn đồng ta có thể tính được giá thành vật liệu tác dụng nói chung là: Trong đó cFe và cdq tương ứng là giá thành một kg sắt làm lõi và một kg kim loại làm dây quấn máy biến áp. Thông thường để dễ so sánh các phương án tính toán khác nhau ta biểu diễn theo đơn vị quy ước bằng cách chọn giá thành 1kg sắt làm đơn vị. Như vậy giá thành vật liệu tác dụng của máy biến áp là: Trong đó: phụ thuộc vào vật liệu làm lõi sắt và kim loại làm dây quấn (Bảng 16 – TL1) là trọng lượng của dây trần là trọng lượng dây kể cả cách điện Với kcđ = 1,06 đối với dây quấn đồng Đạo hàm công thức và cho triệt tiêu sẽ xác định được trị số x tương ứng với giá thành vật liệu tác dụng cực tiểu từ phương trình: x5 + Bx4 - Cx - D = 0 Với Như vậy ta có quan hệ: C’td = f(b) và có b ứng với giá thành vật liệu tác dụng nhỏ nhất nhưng chọn b cần phải căn cứ vào các tham số kỹ thuật của máy biến áp như : Po, io%, J (A/m2), s (MN/m2) Tổn hao không tải: Tổn hao không tải sơ bộ máy biến áp được tính theo biểu thức: Trong đó k’f là hệ số phụ kể đến đặc điểm của vật liệu làm lõi sắt Đối tôn cán lạnh kf’ = 1,17 á 1,25. Ta chọn kf’ = 1,25 (Bảng 43 – TL1) Thành phần phản kháng của dòng điện không tải Thành phần phản kháng của dòng điện không tải được tính: (%) Gần đúng khi tính sơ bộ đối với tôn cán lạnh, công suất từ hóa Qo được xác định bởi biểu thức: (VA) kf” là hệ số kể đến sự phục hồi từ tính không hoàn toàn khi ủ lại lá tôn cũng như sự uốn nén và ép lõi sắt. k”f = 1,20 ữ 1,25. Chọn kf” = 1,25 Qc là công suất tổn hao chung của trụ và gông QC = qt.Gt + qg.Gg = 1,320.Gt + 1,180.Gg (VA) Qf là công suất từ hoá phụ đối với góc có mối nối thẳng Qf = 40 qt.Go = 40.1,320.Go (VA) Qk là công suất từ hoá ở những khe hở không khí mối nối giữa các lá thép Qk = 3,2 qk.Tk = 3,2.17280.0,023.x2 (VA) qk là suất từ hóa khe hở ứng với Bt (VA/m2) (Bảng 50 – TL1) Với Bt = 1,6 thì qk = 17280 VA/m2 Tk là tiết diện tác dụng ở khe nối: Tk = 0,785 . kld. A2.x2 = 0,785.0,881.0,18232.x2 = 0,023.x2 (m2) Vậy công suất từ hóa sơ bộ: Qo = 1,65 Gt + 1,475 Gg + 66 G0 + 1589,76x2 Mật độ dòng điện trong dây quấn: Với kCu = 2,4.10-12 là hệ số phụ thuộc vào điện trở suất của dây quấn Pn là tổn hao ngắn mạch Vậy Để cho máy biến áp làm việc bình thường thì mật độ dòng điện không được lớn quá mức cho phép. Người ta qui định với máy biến áp dầu dây quấn đồng thì J Ê 4,5.106 A/m2 Vậy giới hạn trên của trị số x là Lực cơ học Dây quấn máy biến áp phải chịu được những lực cơ học xuất hiện khi ngắn mạch nghĩa là ứng suất kéo tác dụng lên tiết diện dây dẫn phải nhỏ hơn ứng suất kéo cho phép. đối với dây đồng ứng suất cho phép là: sr Ê 60 MN/ m2 (hay MPa) ứng xuất kéo tác dụng lên tiết diện dây dẫn được xác định theo công thức sr = Mx3 Trong đó: Như vậy ta có thể xác định được trị số tới hạn của x theo sr bởi quan hệ sau: Ta có bảng các số liệu tính toán sơ bộ: β 1,2 1,8 2,4 3,0 3,6 x 1,046 1,158 1,245 1,316 1,377 x2 1,095 1,342 1,549 1,732 1,897 x3 1,147 1,554 1,928 2,279 2,614 A1/x 404,7 365,7 340,3 321,9 307,5 A2/x2 57,84 70,84 81,80 91,45 100,2 Gt 462,6 436,5 422,1 413,3 407,7 B1x3 333,2 451,6 560,3 662,4 759,5 B2x2 32,37 39,64 45,78 51,18 56,07 Gg 365,5 491,2 606,1 713,6 815,6 GFe 828,1 927,8 1028,3 1126,9 1223,3 Go 30,49 41,32 51,27 60,61 69,49 1,2Gt 555,1 523,8 506,6 495,9 489,2 1,135Gg 414,9 557,6 687,9 809,9 925,7 Po 970 1081,4 1194,5 1305,9 1414,9 Tt 0,025195 0,030858 0,035631 0,039837 0,043639 1,65Gt 763,2 720,3 696,5 681,9 672,7 1,475Gg 539,2 724,6 894,1 1052,6 1202,9 66Go 2012,1 2727,2 3383,9 4000,4 4586,6 1689,76x2 1741,5 2132,9 2462,8 2753,5 3016,4 Qo 5056,1 6304,9 7437,3 8488,5 9478,6 io% 1,011 1,261 1,487 1,698 1,896 Gdq 321,9 262,9 227,6 203,6 185,9 Gdd 341,5 278,9 241,5 216,1 197,2 kdqFeGdd 618,2 504,8 437,1 390,9 356,9 Ctd 1446,3 1432,5 1465,4 1517,9 1580,2 J 2,587 2,863 3,076 3,253 3,404 d 0,1908 0,2111 0,2269 0,2399 0,2511 d12 0,2671 0,2956 0,3176 0,3359 0,3515 l 0,6992 0,5159 0,4157 0,3517 0,3067 C 0,3501 0,3786 0,4007 0,4189 0,4345 Tuỳ theo từng cỡ MBA thiết kế, lần lượt cho b thay đổi trong một phạm vi thích hợp và tính các đại lượng cần quan tâm. Từ đó ta có thể vẽ đường biểu diễn các quan hệ tương ứng theo b , để dễ so sánh ta lập biểu đồ phối hợp các đặc tính kỹ thuật và kinh tế. Các quan hệ tổn hao không tải Po, dòng không tải io và giá thành vật liệu tác dụng Ctd Bằng phương pháp lập trình trên máy tính, ta cho b thay đổi trong phạm vi 1,2 á 3,6 và tính các đại lượng cần thiết như: Ctd, Po, io%, J, s. Tuỳ theo yêu cầu đặt hàng mà ta sẽ chọn lựa theo những chỉ tiêukhác nhau. Chẳng hạn nếu ta quan tâm đến giá thành của máy biến áp, ta có thể chọn lựa được b sao cho giá thành của máy biến áp là nhỏ nhất, hay tương tự cho các chỉ tiêu khác mà ta cần tới. Mặc dù những chỉ tiêu khác không được thoả mãn. Chương trình thiết kế bằng máy tính này đi theo một hướng chung nhất là tìm ra một vài phương án để giúp ta có được các thông số thoả mãn cùng một lúc nhiều chỉ tiêu với độ sai lệch không vượt quá giới hạn cho phép. Qua các quá trình so sách, chọn lọc trong những giới hạn cho phép này ta tìm được b tối ưu = 1,759 Sau khi đã tìm được b thích hợp phải tính lại các kích thước chủ yếu: Đường kính trụ tiêu chuẩn: m Đường kính trung bình của rãnh dầu sơ bộ: m Chiều cao dây quấn sơ bộ: m Tiết diện hữu hiệu của trụ sắt: m2 Tổn hao và dòng điện không tải: Po = 1074 W; io = 1,25 % Trọng lượng lõi sắt và dây quấn: GFe = 921 kg Gdq = 266 kg Giá thành vật liệu tác dụng: Ctd = 1431 đơn vị Tính toán dây quấn Tính toán dây quấn hạ áp (HA) Việc lựa chọn kết cấu dây quấn phải căn cứ vào yêu cầu vận hành và chế tạo đề ra trong nhiệm vụ thiết kế. Những yêu cầu chính là đảm bảo độ bền về mặt cơ điện nhiệt đồng thời chế tạo phải đơn giản, rẻ tiền. Điện áp một vòng dây V Số vòng dây một pha của dây quấn HA vòng Chọn lại w2 bằng một số nguyên: w2 = 22 vòng Tính lại V Mật độ dòng điện trung bình A/m2 kf là hệ số tổn hao phụ trong dây quấn, trong dây dẫn ra, trong vách thùng dầu, phụ thuộc vào công suất và có thể tra Bảng 15 – TL1. Thường chọn Jtb = 2 á 3,75 (MA/m2) Ta lấy Jtb = 3,5 MA/m2 = 3,5.106 A/m2 Trị số Jtb này là trị số gần đúng cho các dây quấn cao áp và HA. Trị số Jtb thực tế trong các dây quấn phải làm sao gần sát với trị số này. Sai số cho phép không được quá 0,1Jtb Tiết diện sơ bộ mỗi của vòng dây: mm2 Chọn kiểu dây quấn: Theo Bảng 38 – TL1, với S = 500 KVA; If2 = 721,7 A; U2 = 0,4 KV; T’2 = 206,2 mm2 , ta chọn kết cấu dây quấn HA kiểu hình ống, dây dẫn tiết diện chữ nhật. Số vòng dây một lớp: vòng Với n là số lớp Chiều cao hướng trục một vòng dây (tính sơ bộ): m Số vòng được tăng thêm 1 vì muốn quấn thành ống dây phải chuyển sang vòng sau nên chiều cao phải tăng thêm. Căn cứ vào hv2 và T2’ ta chọn dây dẫn theo các bảng ở cuối sách. Không nên chập quá 4 sợi và kích thước hướng kính của các sợi phải bằng nhau. Chọn tiết diện mỗi vòng dây gồm 3 sợi chập, quy cách dây dẫn HA như sau: ПБ - Tiết diện Td2 = 70.10-6 m2 Tiết diện một vòng dây HA Kích thước hướng kính của dây quấn HA Do đó tiết diện thực mỗi vòng dây: T2 = nv2.Td2 = 3.70 = 210 mm2 = 210.10-6 m2 Chiều cao thực mỗi vòng dây: m nv2 là số sợi chập dây quấn HA b’ là bề dài tiết diện dây dẫn kể cả cách điện Mật độ dòng điện thực của dây quấn HA: MA/m2 Chiều cao tính toán của dây quấn HA: m Trị số 0.005 là kể đến việc quấn dây không chặt. Bề dầy cuộn HA: a2 = n.a’ + a22 = 2.0,0061 + 0,006 = 0,0182 m a’ là bề rộng tiết diện sợi dây kể cả cách điện. a22 là cách điện giữa hai lớp của dây quấn ống kép, a22 = 6 mm Đường kính trong dây quấn HA: D’2 = d + 2.a02 = 0,21 + 2.0,005 = 0,22 m Đường kính ngoài dây quấn HA: D”2 = D’2 + 2.a2 = 0,22 + 2.0,0182 = 0,2564 m Bề mặt làm nguội của dây quấn HA: M2 = (n + 1) tkp (D’2 + D”2)l2 (m2) n là số rãnh dầu dọc trục. t số trụ tác dụng k hệ số xét đến sự che khuất bề mặt dây quấn, k = 0,75 Tính toán dây quấn cao áp (CA) Số bánh tối thiểu trên một trụ: Ta chọn số bánh dây bằng 6. Chọn sơ đồ điều chỉnh điện áp: Tuỳ từng loại công suất và cấp điện áp cao áp ta chọn các phương pháp điều chỉnh khác nhau. Thường thì ta bố trí lớp ngoài cùng cho các cuộn dây điều chỉnh. Số vòng dây cao áp ứng với điện áp định mức vòng Số vòng dây 1 cấp điều chỉnh điện áp (cấp điều chỉnh điện áp là ±2.5%) wđc = 0.025.w1đm = 0,025.2096 ≈ 52 vòng Số vòng dây tương ứng trên các đầu phân nhánh: - cấp 23100 V w1 = 2096 + 2.52 = 2200 - cấp 22550 V w1 = 2096 + 52 = 2148 - cấp 22000 V w1dm = 2096 - cấp 21450 V w1 = 2096 - 52 = 2044 - cấp 20900 V w1 = 2096 - 2.52 = 1992 Mật độ dòng điện sơ bộ: J1’ = 2.Jtb – J2 = 2.3,5 – 3,44 = 3,56 MA/m2 Tiết diện vòng dây sơ bộ: mm2 Theo Bảng 38 – TL1, với S = 500 KVA; If1 = 7,6 A; U1 = 22 KV; T’1 = 2,13 mm2 , ta chọn kết cấu dây quấn CA kiểu hình ống nhiều lớp phân đoạn, dây dẫn tiết diện tròn. Từ Bảng 20 – TL1 ta chọn dây dẫn như sau: ПБ - Tiết diện Td1 = 2,545.10-6 m2 Do đó tiết diện thực mỗi vòng dây: T1 = nv1.Td1 = 1.2,545.10-6 = 2,545.10-6 m2 = 2,545 mm2 Mật độ dòng điện thực trong dây quấn CA: MA/m2 Số vòng dây trong mỗi bánh dây: vòng Chiều dầy cách điện giữa các bánh dây theo chiều trục: m hr là chiều cao rãnh dầu ngang, hr = 4 ữ 8 mm δd là chiều dầy vòng đệm cách điện bằng bìa, δd = 0,5 ữ 1 mm Chiều cao tổng của các bánh dây: m Chiều cao một bánh dây m Số vòng dây trong mỗi lớp bánh dây: vòng Số lớp trong mỗi bánh dây: lớp Điện áp làm việc giữa hai lớp: Ul1 = 2wl1.uv = 2.38.10,5 = 801 V Chiều dày dây quấn CA: a1 = nl1.d’1 + (nl1 - 1) dl1 = 10.1,88 + (10 – 1).0,24 = 21 mm = 0,021 m dl1 chiều dầy cách điện giữa các lớp, dl1 = 2 x 0,12 mm (Bảng 27 – TL1) Chiều cao hướng trục của mỗi bánh dây: hb1 = (wl1 + 1)d’1 = (38 + 1).1,88 = 73,3 mm = 0,0733 m Khi phân bố các vòng dây trong các bánh dây nên làm cho các bánh dây có kích thước hướng kính bằng nhau. Chiều cao cuộn dây CA: m l1 ≈ l2 = 0,482 m Trong đó k = 0,94 0,96 Đường kính trong của dây quấn: D’1 = D”2 + 2.a12 = 0,2564 + 2.0,021 = 0,2984 m Đường kính ngoài của dây quấn: D”1 = D’1 + 2.a1 = 0,2984 + 2.0,021 = 0,340 m Khoảng cách tâm trụ: C = D”1 + a11 = 0,340 + 0,02 = 0,36 m Bề mặt làm lạnh của dây quấn: M1 =2tkp (D’1 + a1)nb1(a1 + hb1) m2 k = 0,75 Tính toán các tham số ngắn mạch Tổn hao ngắn mạch Tổn hao ngắn mạch của MBA hai dây quấn là tổn hao trong máy biến áp khi ngắn mạch một dây còn dây quấn kia đặt vào điện áp ngắn mạch Un để cho dòng điện ngắn mạch bằng định mức. Tổn hao ngắn mạch có thể chia thành các phần như sau: Tổn hao chính, tức tổn hao đồng trong dây quấn hạ áp và cao áp do dòng điện gây ra PCu1 và PCu2. Tổn hao phụ trong hai dây quấn do từ thông tản xuyên qua dây quấn làm cho dòng điện phân bố không đều trong tiết diện dây Pf1 và Pf2 Tổn hao chính trong dây dẫn ra Pr1 và Pr2 Tổn hao phụ trong hai dây dẫn ra Prf1 và Prf2, tổn hao này rất nhỏ, có thể bỏ qua. Tổn hao trong vách thùng dầu và các kết cấu kim loại khác Pt do từ thông tải gây nên. Thường thì tổn hao phụ được tính gộp vào trong tổn hao chính bằng cách thêm vào hệ số tổn hao phụ kf . vậy tổn hao ngắn mạch sẽ tính theo biểu thức: (W) Tổn hao chính (tổn hao đồng trong dây quấn): Dây quấn hạ áp (HA): W Trong đó J2 là mật độ dòng điện phía hạ áp GCu2 là trọng lượng dây quấn hạ áp: kg Dây quấn cao áp (CA) W Trong đó J1 là mật độ dòng điện trong dây quấn cao áp GCu1 là trọng lượng dây quấn cao áp: kg Tổn hao phụ: Như đã nói ở trên, tổn hao phụ thường được ghép vào tổn hao chính bằng cách thêm vào hệ số kf vào tổn hao chính. PCu + Pf = kf.PCu Do đó việc xác định tổn hao phụ là xác định số trị kf . trị số này đối với mỗi loại dây quấn thì khác nhau. Nó phụ thuộc vào kích thước hình học của dây dẫn, và sự sắp xếp của dây dẫn trong từ trường tản …. Người ta tìm ra biểu thức tính toán của kf như sau: Hướng dẫn để xác định tổn hao trong các dây quấn Trong dây quấn HA: PCu1 + Pf2 = kf2.PCu2 Đối với dây đồng tiết diện chữ nhật: với n2 = 2 a2 là kích thước của dây dẫn theo hướng thẳng góc với từ thông tản n2 là số thanh dẫn của dây quấn thẳng góc với từ thông tản b2 là kích thước của dây dẫn song song từ thông tản m2 là số thanh dẫn của dây quấn song song với từ thông tản l2 là chiều cao của dây quấn Trong dây quấn CA: PCu1 + Pf1 = kf1 PCu1 Đối với dây dẫn tròn: d1 là đường kính của dây dẫn tròn n1 là số thanh dẫn của dây quấn thẳng góc từ thông tản m1 số thanh dẫn của dây quấn song song với từ thông tản Tổn hao dây dẫn ra: Đối với dây quấn HA: Chiều dài dây dẫn ra được tính theo công thức kinh nghiệm Vì dây quấn HA đấu sao nên: lr2 ≈ 7,5.l2 = 7,5.0,482 = 3,615 m Trọng lượng đồng dây dẫn ra HA Gr2 = lr2. Tr2. gCu = 3,615.210.10-6.8900 = 6,76 kg Trong đó: g là điện trở suất gcu = 8900 kg/ m3 lr2 chiều dài dây dẫn ra của cuộn HA Tr12 Tiết diện dây dẫn ra của cuộn HA, có thể lấy bằng tiết diện của vòng dây l2 chiều cao của dây quấn HA Tổn hao trong dây dẫn ra HA Pr2 = 2,4.10-12 J22.Gr2 = 2,4.10-12.(3,44.106).6,67 = 191,5 W J2 là mật độ dòng điện thực cuộn hạ áp Đối với dây quấn CA: Chiều dài dây dẫn ra Phía cao áp nối tam giác nên chiều dài dây dẫn ra được xác định: lr1 ≈ 14 l1 = 14.0,48 = 6,72 m l1 Chiều cao dây quấn cao áp Trọng lượng dây dẫn ra Gr1 = lr1. Tr1. gCu = 6,72.2,545.10-6.8900 = 0,152 kg Tr1 Tiết diện dây dẫn ra của cuộn cao áp, lấy bằng tiết diện một vòng dây Tổn hao dây dẫn ra CA Pr1 = 2,4.10-12 J12. Gr1 = 2,4.10-12 (2,98.106)2.0,152 = 3,24 W J1 (MA/ m2) là mật độ dòng điện thực cuộn cao áp Tổn hao vách thùng và các chi tiết kết cấu khác: Tổn hao này khó tính chính xác được, hiện nay vẫn chưa có phương pháp nào giải quyết vấn đề này một cách đầy đủ với máy biến áp hai dây quấn, người ta tính theo công thức kinh nghiệm sau: Pt = 10. kt S = 10.0,017.500 = 85 W Trong đó hệ số kt tra theo Bảng 40a – TL1 Tổn hao ngắn mạch máy biến áp Pn = kf2. PCu2 + kf1. PCu1 + Pr2 + Pr1 + Pt = 1,023.2620,2 + 1,0.3043 + 191,5 + 3,24 + 85 = 6013 W Sai số so với tiêu chuẩn : % Xác định điện áp ngắn mạch Thành phần điện áp ngắn mạch tác dụng: Ta biết Unr = rn. Iđm (V) Trong đó rn là điện trở ngắn mạch của máy biến áp đã quy đổi về nhiệt độ qui ước, do đó: % Với Pn là tổn hao ngắn mạch biến áp S là dung lượng định mức máy biến áp (KVA) Thành phần phản kháng của điện áp ngắn mạch Ta có: % Từ lý thuyết về MBA: Đối với dây quấn đồng tâm và hai dây quấn có chiều cao bằng nhau: % Trong đó ar là chiều rộng quy đổi của rãnh dầu: Đối với máy biến áp có S < 10000 KVA thì coi: d12 là đường kính trung bình của rãnh dầu giữa dây quấn cao áp và hạ áp: Nếu xét đến sự không bằng nhau giữa hai dây quấn ta đưa thêm vào một hệ số kq với kq = 1.01 á 1.06 Từ trường tản của hai dây quấn đồng tâm Điện áp ngắn mạch toàn phần % Như vậy sai số của un so với tiêu chuẩn là: % Tính lực cơ học của dây quấn khi ngắn mạch Khi máy biến áp bị sự cố ngắn mạch thì dòng điện ngắn mạch sẽ rất lớn . Nhưng vấn đề nhiệt đối với máy biến áp là không quan trọng vì nếu bố trí thiết bị bảo vệ tốt, máy ngắt tự động sẽ cắt phần sự cố ra khỏi lưới điện. Do đó vấn đề chủ yếu còn lại là lực cơ học có gây lên tác dụng nguy hiểm đối với dây quấn máy biến áp. Bởi vậy, để đảm bảo cho máy biến áp hoạt động an toàn, khi thiết kế phải tính đến những lực cơ học tác dụng lên dây quấn khi ngắn mạch xem xét độ bền của dây quấn máy biến áp có đủ hay không. Dòng điện ngắn mạch cựu đại: Dòng ngắn mạch phía HA: Dòng ngắn mạch xác lập: A Dòng ngắn mạch cực đại: A Dòng điện ngắn mạch phía CA: Dòng điện ngắn mạch xác lập: A Dòng điện ngắn mạch cực đại: A Lực cơ học khi ngắn mạch: Lực cơ học sinh ra do tác dụng của dòng điện trong dây quấn với từ trường tản là một vấn đề rất phức tạp. Khi ngắn mạch lực cơ học có tác dụng lên dây quấn cũng không đều nhau. Từ trường tản dọc và ngang trong dây quấn đồng tâm Giữa các vòng dây có cách điện, các đệm lót điện mà do tính đàn hồi của các chi tiết đó cũng có ảnh hưởng đến lực tác dụng lên dây quấn nên thực tế lực tác dụng đó lại nhỏ hơn lực cơ học tính toán. Từ trường tản gồm hai thành phần: Từ trường tản dọc trục và từ trường tản ngang trục. Từ trường tản dọc trục có tác dụng với dòng điện trong dây quấn gây nên lực hướng kính. Từ trường tản ngang trục tác dụng với dòng điện gây lên lực hướng trục. Từ trường tản dọc B tác dụng với dòng điện gây nên lực hướng kính (có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái), có thể tính: (N) Btb là cường độ từ cảm trung bình của từ trường dọc (T) w là số vòng của dây quấn (với dây quấn CA thì w = w1dm) imax là dòng điện ngắn mạch cựu đại lv ≈ β.l là chiều dài trung bình của một vòng dây Do đó lực hướng kính: (N) N Lực Fr đối với hai dây quấn là trực đối với nhau, có tác dụng ép (hay nén) đối với dây quấn trong và có tác dụng bung đối với dây quấn ngoài. Lực này phân bố đều dọc chu vi của dây quấn (Hình vẽ) Tác dụng của lực hướng kính lên dây quấn đồng tâm Từ trường tản ngang B’ tác dụng với dòng điện sinh ra lực chiều trục F’t Phân tích từ trường tản Trị số F’t cung được tính như Fr nhưng trị số trung bình của từ cảm của từ trường ngang được tính bằng: Và Vậy ta được: (N) Lực hướng trục trong các cuộn dây: N Do bố trí đầu dây phân áp ở giữa dây quấn lên có một số vòng dây không có dòng điện và ở đó có một khoảng trống dây quấn lx . chính vì vậy ngoài thành phần từ trường tản dọc B và từ trường tản ngang B’ do toàn bộ cuộn dây sinh ra còn có từ trường tản ngang thứ hai B” .Từ trường tản B” tác dụng với dòng điện trong dây quấn sinh ra lực dọc trục F”t được xác định theo công thức: (N) m biểu thị những hình thức bố trí khác nhau của dây quấn. lx là khoảng trống dây quấn ở những phần không mang điện. lx tính toán khác nhau đối với các sơ đồ điều chỉnh điện áp khác nhau. Với dây quấn được chia thành 6 bánh, giữu các bánh có rãnh dầu ngang hr2 = 8 mm, Các đầu phân áp bố trí trên bánh dây cuối cùng. mm l” là chiều dài quy đổi bình quân của đường sức từ trường ngang (xác định gần đúng theo hình vẽ) B là chiều ngang của thùng dầu Tính gần đúng: m Thành phần thứ hai của lực hướng trục trong các cuộn dây: N Lực nén chiều trục cực đại trong các dây quấn: Đối với dây quấn HA: Fn2 = F’t + F”t = 22477 + 52945 = 75422 N Đối với dây quấn CA Fn1 = F”t – F’t = 52945 – 22477 = 30468 N Các lực cơ khí tác dụng lên dây quấn máy biến áp: ứng suất của dây quấn: ứng suất do lực hướng kính gây nên: Lực Fnr tác dụng nén lên cuộn dây làm xuất hiện ứng suất nén lên cuộn dây trong và các tấm đệm giữa các vòng dây và bánh dây. (N) Do đó ứng suất nén: (MN/m2 hay MPa) w là số vòng dây của dây quấn T là tiết diện một vòng dây ứng suất nén trong dây quấn HA: MPa ứng suất nén hoặc kéo trong dây quấn CA: MPa Trị số ứng suất của hai cuộn dây đều không vượt quá ứng suất cho phép σnr ≤ 30 MPa ứng suất do lực hướng trục gây nên: Lực chiều trục chủ yếu là lực nén Fn lực này chủ yếu làm hỏng những tấm đệm cách điện ở giữa các vòng dây. Đối dây quấn không có nên chèn giữa các vòng dây: (MPa) D’ và D” là đường kính trong và ngoài của dây quấn chịu lực nén lớn nhất. Đối với dây quấn có nêm chèn.: (MPa) n là số miếng đệm heo chu vi vòng tròn dây quấn a, b là kích thước miếng đệm (m) Trị số ứng suất do lực nén σn gây ra phải đạt tiêu chuẩn: σn ≤ 18 ữ 20 MPa với S < 6300 KVA Sau khi tính toán cần phải so sánh với các tiêu chuẩn để đánh giá phương án chọn lựa. Tính toán cuối cùng về mạch từ: Kích thước cụ thể lõi sắt Kích thước các tập lá thép Kích thước mạch từ phẳng Hiện nay lõi sắt chủ yếu dùng tôn cán lạnh, ép trụ bằng đai thuỷ tinh có hoặc không có tấm sắt ép. Sử dụng tôn cán lạnh thường sản xuất tiêu chuẩn theo hai loại: Tôn tấm có kích thước ngang 750 hay 1000 mm và tôn cuộn kích thước ngang 750 hay 950 mm. Để tiện chuẩn hoá trong việc lắp ghép lõi sắt máy biến áp ngày nay người ta quy định cắt dập các lá tôn làm lõi phải đi dọc theo chiều dày lá tôn để đảm bảo đúng theo tiêu chuẩn hoá theo dãy. Với việc tiêu chuẩn hoá đó, trụ sắt sẽ được quy định số bậc, chiều dày từng bậc các tập cá thép, kích thước và sự bố trí các rãnh làm lạnh trong trụ tuỳ theo đường kính trụ. Ta chọn kết cấu lõi thép kiểu 3 pha 3 trụ, lá thép ghép xen kẽ làm bằng tôn cán lạnh 3408 dày 0,30 mm có 4 mối nối nghiêng ở 4 góc. Trụ ép bằng đai thuỷ tinh, không có tấm sắt đệm, gông ép bằng xà ép. Một bậc ngoài cùng của gông tương ứng hai bậc ngoài cùng của trụ. Số bậc của trụ thường lớn hơn số bậc của gông 1 đến 2 bậc. Tiết diện của gông thường lớn hơn của trụ để từ thông dễ truyền qua từ trụ sang gông và để đảm bảo lực ép gông được phân bố đều. Kích thước tập lá thép. Tiết diện trụ 7 bậc tiết diện gông 5 bậc. Các lá thép trong trụ được xếp đối xứng đối với đường phân giác trong góc một phần tư của tiết diện trụ. Kích thước các tập lá thép trong trụ được bố trí sao cho tiết diện ngang của trụ là lớn nhất có thể. Đường kính d (m) Thứ tự tập Trụ Gông Số lá Kích thước (mm) Số lá Kích thước (mm) 0,21 1 102 200 x 32 120 200 x 32 2 70 180 x 22 70 180 x 22 3 45 160 x 14 45 160 x 14 4 26 145 x 8 26 145 x 8 5 19 130 x 6 64 130 x 20 6 26 110 x 8 7 19 90 x 6 Kích thước mạch từ của máy biến áp Tổng chiều dầy các lá thép của tiết diện trụ (hoặc gông): 2.(32+22+14+8+6+8+6) = 0,192 m Tiết diện hình bậc thang toàn bộ trụ: Tbt = 3192 cm2 = 0,03192 m2 Tiết diện hình bậc thang toàn bộ gông: Tbg = 3272 cm2 = 0,03272 m2 Tiết diện hữu hiệu của trụ: Tt = kd.Tbt = 0,96.0,03192 = 0,03064 m2 Tiết diện hữu hiệu của gông: Tg = kd.Tbg = 0,96.0,03272 = 0,03141 m2 kd là hệ số điền đầy Chiều cao của trụ sắt: lt = l + 2.lo = 0,482 + 2.0,050 = 0,582 m l là chiều cao của cuộn dây l0 là khoảng cách từ cuộn dây đến gông Khoảng cách tâm trụ: C = D”1 + a11 = 0,340 + 0,020 = 0,360 m D”1 là đường kính ngoài dây quấn CA a11 là khoảng cách giữa các dây quấn CA cạnh nhau Dùng xác định thể tích và trọng lượng một góc mạch từ Thể tích một góc mạch từ (Bảng 42b – TL1) V’o = 5680 cm3 = 5680.10-6 m3 Thể tích thuần sắt một góc mạch từ: Vo = kd.V’o = 0,96.5680.10-6 = 5453.10-6 m3 Trọng lượng sắt trụ và gông: Trọng lượng sắt một góc mạch từ: Go = Vo.γ = 5453.10-6.7650 = 41,7 kg γ là tỷ trọng thép máy biến áp, với tôn cán lạnh γ = 7650 kg/m3 Trọng lượng sắt trụ: Với tiết diện gông là hình bậc thang nhiều bậc, trọng lượng sắt trụ được tính thành hai phần Gt = G’t + G”t = 409,3 + 15,5 = 424,8 kg G’t là trọng lượng phần trụ ứng với chiều cao cửa sổ mạch từ G’t = t.Ttlt γ = 3.0,03064.0,582.7650 = 409,3 kg G”t là trọng lượng phần trụ nối với gông (phần gạch thẳng của hình) G”t = t(Tta1g γ – Go) = 3(0,03064.0,2.7650 – 41,7) = 15,5 kg Trọng lượng sắt gông: Trọng lượng sắt gông cũng gồm hai phần Gg = G’g + G”g = 346,3 + 83,4 = 429,7 kg G’g là phần nằm giữa hai trụ biên G’g = 2(t – 1)C.Tg γ = 2(3 – 1).0,360.0,03141.7650 = 346,3 kg G”g là phần gông nằm ở các góc G”g = 2.G0 = 2.41,7 = 83,4 kg Trọng lượng toàn bộ lõi sắt: G = Gt + Gg = 424,8 + 429,7 = 854,5 kg Tính tổn hao, dòng điện không tải và hiệu suất của máy biến áp Tổn hao không tải: Chiều của từ trường trong lõi thép và hướng cán của lá tôn Khi cấp điện xoay chiều có tần số định mức vào cuộn sơ cấp còn các cuộn dây khác để hở mạch thì có chế độ không tải. Tổn hao ứng với chế độ này gọi là tổn hao không tải Trị số từ cảm trong trụ và gông: T T T Tiết diện khe hở chéo: m2 Tra lại các suất tổn hao dựa vào Bt, Bg, Bkn vừa tính (Bảng 45 – TL1) Với Bt = 1,54 T; pt = 0,882 W/kg pk = 906 W/m2 Với Bg = 1,5 T; pg = 0,830 W/kg pk = 850 W/m2 Với Bkn = 1,08 T; pkn = 413 W/m2 Đối với mạch từ phẳng, nối chéo 4 góc, trụ giữa nối thẳng, lõi sắt không đột lỗ, tôn có ủ sao khi cắt gọt, có khử bavia ta có: kpc = 1 kpb = 1 kpg = 1 kpe = 1,03 kpt = 1,02 kpo = 10,64 Trong đó: kpg là hệ số gia tăng tổn hao ở gông kpt là hệ số do tháo lắp gông trên kpe là hệ số tổn hao do ép trụ để đai kpc là hệ số tổn hao do cắt dập lá tôn thành tấm kpb là hệ số kể đến tổn hao do gấp mép hay khử bavia Tổn hao không tải: Đối với máy biến áp có mạch từ phẳng làm bằng tôn cán lạnh ép trụ bằng đai, ép gông bằng xà, không làm bu lông xuyên lõi thì tổn hao không tải được xác định theo biểu thức: N là hệ số biểu thị số lượng góc nối của mạch từ với máy biến áp ba pha Vậy sai lệch so tiêu chuẩn là : % Dòng điện không tải Dòng điện không tải có thể được chia làm hai thành phần tác dụng và phản kháng. Thành phần tác dụng của dòng điện không tải được xác định: % Trong đó Po là tổn hao không tải (W) S là công suất định mức máy biến áp (kVA) Thành phần phản kháng của dòng điện không tải iox. Việc tính toán nó có phần phức tạp hơn. Để tìm được iox ta hãy tìm công suất phản kháng Qo tương ứng sinh ra nó. Theo Bảng 50 – TL1 ta tìm được suất từ hoá: Với Bt = 1,54 T; qt = 1,12 W/kg qk = 14148 W/m2 Với Bg = 1,5 T; qg = 1,04 W/kg qk = 12420 W/m2 Với Bkn = 1,08 T; qkn = 1818 W/m2 Đối với mạch từ phẳng, có ủ lá tôn sau khi cắt dập: kib = 1 kic = 1,18 kig = 1 kie = 1,045 kit = 1,02 kio = 42,4 kir = 1,28 Trong đó: kig là hệ số gia tăng công suất từ hóa ở gông kit là hệ số kể đến sự tăng công suất từ hóa do tháo lắp gông trên kie là hệ số kể đến ảnh hưởng của việc ép mạch từ để đai kic là hệ số kể đến ảnh hưởng của việc cắt dập lá thép kib là hệ số kể đến ảnh hưởng do việc cắt gọt bavia kio là hệ số kể đến việc tăng suất công suất từ hoá ở các góc nối kir là hệ số kể đến ảnh hưởng do chiều rộng lá tôn ở các góc mạch từ Với máy biến áp ba pha kiểu trụ phẳng làm bằng thép cán nguội ép trụ và gông không bằng đai và bu lông xuyên lõi, công suất từ hoá không tải là: Thành phần phản kháng của dòng điện không tải: % Dòng điện không tải toàn phần: % Hiệu suất của máy biến áp: Hiệu suất của máy biến áp lúc tải định mức là: % Vì thời gian có hạn và khối lượng tính toán trong máy tính rất nhiều nên đồ án này chỉ dừng lại ở đây mà bỏ qua phần tính toán nhiệt. Chương iii CHương trình thiết kế MBA bằng máy tính Phân tích và thiết kế chương trình: Để đạt được phương án tối ưu hay phương án chấp nhận được thoả mãn các yêu cầu đặt ra chúng ta phải điều chỉnh rất nhiều tham số. Việc điều chỉnh này lại có nhiều phương án lựa chọn nó phụ thuộc vào tiêu chuẩn và kinh nghiệm của người thiết kế. Do đó việc tự động hoá hoàn toàn trong thiết kế MBA là khó thực hiện mà chỉ được tiến hành bán tự động hay tự động hoá từng phần. Với việc thiết kế này người thiết kế được can thiệp trực tiếp vào các giao diện giữa người và máy. Với phương châm đó trong đồ án tốt nghiệp này chương trình cũng được thiết kế bán tự động. Ngôn ngữ lập trình được dùng ở đây là Visual Basic 6.0 Chương trình được cụ thể như sau: Trên Form chính được thiết kế với một Tab có các phần tính toán khác nhau chứa đựng các hộp Text Box có các Label đặt tên để cho người sử dụng nhập thông số đầu vào. Một hộp Text Box nằm ở cuối các Tab này dùng để giải thích về các thông số mà ta đang chọn lựa. Bên dưới của Tab này có một bảng cho ta các giá trị để tham khảo hoặc chọn lựa. Khi các thông số đầu vào đã hoàn tất ta click vào nút “Nhập” để máy sẽ tính toán các thông số cần thiết. Những thông số tính toán này được ghi trên hai khung lưới phía tay phải của giao diện. Muốn chuyển sang những phần tính toán khác ta chuyển qua các Tab của chương trình. Sơ đồ khối thể hiện chương trình: Sai Sai Sai Số liệu đầu vào Tính toán các số liệu thiết kế So sánh tiêu chuẩn Po, Ctd, io, J, σ Tìm β tối ưu, xác định các chỉ tiêu về kinh tế và kỹ thuật Tính toán 2 cuộn dây HA và CA Tính toán các số liệu sơ bộ khi đã đạt các chỉ tiêu cơ bản Tính toán ngắn mạch và các lựu cơ học So sánh: un ≤ 5 % σn ≤ 30 MPa Tính toán mạch từ Tính toán không tải và hiệu suất MBA So sánh: Po, io% Kết thúc Sau đây là một số hình ảnh về giao diện của chương trình: Những hạn chế và phương hướng: Với các kết qủa trên Grid hoàn toàn thoả mãn các tiêu chuẩn nhà nước và cũng gần sát với thực tế sản xuất nên hoàn toàn chấp nhận. Vì khối lượng tính toán lớn nên trong chương trình này thiết kế cho một dãy công suất hẹp từ 630 á 1600 kVA, điện áp hạ áp bằng 0.4 kV, điện áp cao áp có 3 cấp 10, 22, 35 kV. Kiểu dây quấn hạ áp là hình ống. Kiểu dây quấn cao áp là dây quấn hình ống nhiều lớp phân đoạn và dây quấn xoắn ốc liên tục. Sơ đồ điều chỉnh không được tự động hoá. Minh họa một đoạn Code của chương trình: Option Explicit Const pi = 3.141593 Const zCu = 890._.