Thiết kế máy biến áp điện lực mạch từ không gian

êm những kiến thức lý thuyết đã học, làm quen với máy móc thiết bị, rèn luyện kỹ năng thiết kế. Đồ án tốt nghiệp là sự tổng kết tất cả những kiến thức lý thuyết và thực tế của cả quá trình học tập, Nhằm kiểm tra đáng giá sinh viên trong cả quá trình học tập tại trường. Trong nhiệm vụ thiết kế đồ án tốt nghiệp em được giao thiết kế máy biến áp điện lực mạch từ không gian. Máy biến áp là một thiết bị điện thiết yếu trong lĩnh vực truyền tải và phân phối điện năng. Và nghành chế tạo máy biến áp ngày càng phát triển trước yêu cầu sử dụng điện ngày càng tăng của tất cả các nghành kinh tế quốc dân. Nhất là ở nước ta đang trên đà phát triển và sự xuất hiện ngày càng nhiều các khu công nghiệp hiện đại. Do trình độ và thời gian có hạn chắc chắn bản đồ án không tránh khỏi những thiết sót. Em mong được sự thông cảm, và đóng góp ý kiến của thây cô và các bạn. Mục lục Chương 1 : Tổng quan máy biến áp Chương 2 : Tính toán kích thước chủ yếu máy biến áp Chương 3 :Tính toán dây quấn máy biến áp Chương 4 : Tính toán ngắn mạch Chương 5 : Tính toán cuối cùng mạch từ và tính toán tham số không tải Chương 6 Tính toán nhiệt của máy biến áp Chương 7 Chuyên đề kiểm tra và thử nghiệm máy biến áp CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY BIẾN ÁP 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Các nhà máy điện được xây dựng ở những nơi gần nguồn nhiên liệu như mỏ than, mỏ khí, gần nguồn nước, bởi vì lượng nhiên liệu mà các nhà máy điện tiêu thụ là rất lớn nên chi phí cho vận chuyển nhiên liệu đi xa là rất lớn. Hơn nữa các nhà máy điện cũng thải ra một lượng khí thải rất lớn gây ô nhiểm môi trường như nhà máy nhiệt điện, nhà máy điện nguyên tử. Còn nhà máy thủy địên thì phải xây dựng nơi nguồn nước. Các nơi tiêu thụ điện năng chủ yếu là các khu công nghiệp các thành phố nơi tập trung đông dân cư thường ở xa các nhà máy phát điện. Vì vậy vấn đề đặt ra là truyền điện năng đi xa sao cho kinh tế nhất. Như ta đã biết: cần một công suất truyền tải trên đường dây, nếu điện áp tăng cao thì dòng điện chạy trên đường dây sẽ giảm xuống, như vậy ta có thể làm tiết diện dây nhỏ đi do đó trọng lượng và chi phí đường dây dẫn điện sẽ giảm xuống. Hơn nữa tổn hao trên đường dây cũng nhỏ đi tiết kiệm được điện năng. Vì vậy muốn truyền tải điện năng đi xa cần phải tăng điện áp lên cao ở nhà máy phát điện và đến nơi tiêu thụ cần giảm điện áp cho phù hợp với yêu cầu của hộ tiêu thụ. Máy phát Đường dây tải Hộ tiêu thụ Máy tăng áp Máy giảm áp Sơ đồ mạng truyền tải đơn giản: Thực ra trong hệ thống điện lực muốn truyền tải và phân phối điện năng từ nhà máy điện đến tận hộ tiêu thụ một cách hợp lý thường cần phải qua ba, bốn lần tăng áp, giảm áp. Do đó công suất của các máy biến áp trong hệ thống điện lực gấp sáu, bảy lần công suất của trạm phát điện. Máy biến áp có rất nhiều chức năng và công dụng khác nhau có rất nhiều loại máy biến áp. Những máy biến áp dùng trong các hệ thống điện lực gọi là máy biến áp điện lực hay máy biến áp công suất. Từ đó ta cũng thấy rõ máy biến áp chỉ làm nhiệm vụ truyền tải hay phân phối điện năng chứ không phải là biến hóa năng lượng. Ngoài máy biến áp điện lực ra còn có nhiều loại máy biến áp dùng trong các nghành chuyên môn như: Máy biến áp chuyên dùng cho các lò điện luyện kim , máy biến áp hàn, máy biến áp dùng cho các thiết bị chỉnh lưu, máy biến áp dùng cho đo lường thí nghiệm ...... Ở nước ta nghành chế tạo máy biến áp đã ra đời từ ngày hòa bình lập lại, đến nay chúng ta đã sản xuất được một khối lượng lớn với nhiều chủng loại khác nhau phục vụ cho nhiều nghành sản xuất ở trong nước cũng như xuất khẩu. Yêu cầu bức thiết đặt ra hiện nay cho nghành thiết kế và chế tạo máy biến áp là thiết kế chế tạo máy biến áp có dung lượng thật lớn điện áp thật cao dùng nguyên liệu mới để giảm kích thước và trọng lượng máy. Ngày nay với sự phát triển mạnh của máy tính điện tử là công cụ đắc lực giúp cho việc thiết kế máy biến áp với độ chính xác cao, với nhiều phương án cho phép lựa chọn phương án tối ưu về chi phí vật liệu cũng như vận hành. Vì thế chất lượng thiết kế máy biến áp không ngừng nâng lên. 1.2. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CƠ BẢN CỦA MÁY BIẾN ÁP Hình 1-1: Sơ đồ nguyên lý máy biến áp một pha Ta xét sơ đồ nguyên lý làm việc của máy biến áp một pha hai dây quấn: Dây quấn 1 có w1 vòng dây Dây quấn 2 có w2 vòng dây Được quấn trên lỏi thép 3 Khi đặt một điện áp xoay chiều u1 vào dây quấn 1 sẽ có dòng điện i1 trong dây quấn 1, dòng điện i1 sinh ra sức từ động F=i1.w1 sức từ động này sinh ra từ thômg móc vòng cả hai dây quấn 1và 2. Theo định luật cảm ứng điện từ trong cuộn dây 1và 2 sẽ xuất hiện các sức điện động cảm ứng e1 và e2 nếu dây quấn 2 nối với một tải bên ngoài zt thì dây quấn 2 sẽ có dòng điện i2 đưa ra tải với điện áp u2. Như vậy năng lượng của dòng điện xoay chiều đã được truyền từ dây quấn 1 sang dây quấn 2. Giả thiết điện áp đặt vào là hàm số hình sin thì từ thông do nó sinh ra cũng là hàm số hình sin (1-1) Do đó theo định luật cảm ứng điện từ, sức điện động cảm ứng trong các cuộn dây 1và 2 sẽ là và Trong đó : Là giá trị hiệu dụng của các sức điện động dây quấn 1 và 2. Các sức điện động cảm ứng trong dây quấn chậm pha so với từ thông một góc Người ta định nghiã tỷ số biến áp của máy biến áp như sau: Nếu bỏ qua điện áp rơi trên dây quấn thì có thể coi do đó k được xem như là tỷ số điện áp giữa dây quấn 1và 2 1.3. ĐỊNH NGHĨA MÁY BIẾN ÁP Từ nguyên lý làm việc cơ bản trên ta có thể định nghĩa máy biến áp như sau: Máy biến áp là một thiết bị điện từ đứng yên, làm việc trên nguyên lý cảm ứng điện từ, biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp này thành một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp khác, với tần số không thay đổi. Máy biến áp có hai dây quấn gọi là máy biến áp hai dây quấn. Dây quấn nối với nguồn điện để thu năng lượng vào gọi là dây quấn sơ cấp. Dây quấn nối với tải để đưa điện năng ra gọi là dây quấn thứ cấp. Dòng điện, điện áp, công suất .. của từng dây quấn theo tên sơ cấp và thứ cấp tương ứng. Dây quấn có điện áp cao gọi là dây quấn cao áp. Dây quấn có điện áp thấp gọi là dây quấn hạ áp. Nếu điện áp thứ cấp bé hơn điện áp sơ cấp ta có máy biến áp giảm áp, nếu điện áp thứ cấp lớn hơn điện áp sơ cấp gọi là máy biến áp tăng áp. Ở máy biến áp ba dây quấn, ngoài hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp còn có dây quấn thứ ba với điện áp trung bình. Máy biến áp biến đổi hệ thống dòng điện xoay chiều một pha gọi là máy biến áp một pha, máy biến áp biến đổi hệ thống dòng điện xoay chiều ba pha gọi là máy biến áp ba pha. Máy biến áp ngâm trong dầu gọi là máy biến dầu, máy biến áp không ngâm trong dầu gọi là máy biến áp khô, máy biến áp có ba trụ nằm trong một mặt phẳng gọi là máy biến áp mạch từ phẳng, máy biến áp với ba trụ nằm trong không gian gọi là máy biến áp mạch từ không gian. 1.4. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐỊNH MỨC Các đại lượng định của máy biến áp qui định điều kiện kỹ thuật của máy. Các đại lượng này do nhà máy chế tạo qui định và thường được ghi trên nhãn máy biến áp Dung lượng hay công suất định mức Sđm: là công suất toàn phần (hay biểu kiến ) đưa ra ở dây quấn thứ cấp của máy biến áp, tính bằng kilô vôn –ampe (KVA) hay vôn-ampe (VA). Điện áp dây sơ cấp định mức U1đm: là điện áp của dây quấn sơ cấp tính bằng kilôvôn (KV) hay vôn (V). Nếu dây quấn sơ cấp có các đầu phân nhánh thì người ta ghi cả điện áp định mức của từng đầu phân nhánh. Điện áp dây thứ cấp định mức U2đm: là điện áp dây của dây quấn thứ cấp khi máy biến áp không tải và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức, tính bằng kilô vôn (KV) hay vôn(V). Dòng điện dây định mức sơ cấp I1đm và thứ cấp I2đm: là những dòng điện dây của dây quấn sơ cấpp và thứ cấp ứng với công suất và điện áp định mức, tính bằng kilôampe (KA) hay ampe (A). Tần số định mức fđm: tính bằng Hz. Thường máy biến áp điện lực có tần số công nghiệp là 50 Hz hay 60 Hz. Ngoài ra trên nhãn máy biến áp điện lực còn ghi những số liệu khác như; số pha m, sơ đồ và tổ nối dây quấn, điện áp ngắn mạch un%, chế độ làm việc (dài hạn hay ngắn hạn ), phương pháp làm mát .. Khái niệm “ định mức “ còn bao gồm những tình trạng làm việc định mức của máy biến áp nữa mà có thể không ghi trên nhãn máy như: hiệu suất định mức, độ tăng nhiệt định mức, nhiệt độ định mức của môi trường xung quanh. 1.5. CẤU TẠO CỦA MÁY BIẾN ÁP Máy biến áp có các bộ phận chính sau đây: lõi thép, dây quấn và vỏ máy. 1.5.1 Lõi thép Lõi thép dùng làm mạch dẫn từ, đồng thời làm khung để quấn dây quấn. Theo hình dáng lõi thép người ta chia ra Máy biến áp kiểu lõi hay kiểu trụ: Dây quấn bao quanh trụ thép. Loại này hiện nay rất thông dụng cho các máy biến áp một pha và ba pha có dung lượng nhỏ và trung bình. Hình 1-2: Máy biến áp kiểu lõi 1pha , 3pha - Máy biến áp kiểu bọc Mạch từ được phân ra hai bên và “ bọc “ lấy một phần dây quấn. Loại này thường chỉ được dùng trong một vài nghành chuyên môn đặc biệt như máy biến áp dùng trong lò điện, luyện kim, hay máy biến áp một pha công suất nhỏ dùng trong kỹ thuật vô tuyến điện, âm thanh .. Hình 1-3: Máy biến áp kiểu bọc - Máy biến áp kiểu trụ bọc Ở các máy biến áp hiện đại, dung lượng lớn và cực lớn (80- 100 MVA trên một pha ), điện áp thật cao (220-400 kV), để giảm chiều cao của trụ thép, tiện lợi cho việc vận chuyển, mạch từ của máy biến áp kiểu trụ được phân sang hai bên nên máy biến áp mang hình dáng vừa kiểu trụ vừa kiểu bọc - Máy biến áp mạch từ không gian Mạch từ của máy biến áp được phân bố trong không gian. Loại máy biến áp này chỉ được chế tạo cho loại máy biến áp có công suất nhỏ và trung bình. 1.5.2. Cấu tạo lõi thép Lõi thép máy biến áp gồm 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 và không có dây quấn ( đối với máy biến áp kiểu bọc và máy biến áp kiểu trụ – bọc thì hai trụ phía ngoài cũng đều thuộc về gông ). Để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên, lõi thép được ghép từ những lá thép kỹ thuật điện có bề dày (0,27-0,35 mm) có phủ sơn cách điện trên bề mặt. Trụ và gông có thể ghép với nhau bằng phương pháp ghép nối hoặc ghép xen kẽ. Ghép nối thì trụ và gông ghép riêng, sau đó dùng xà ép và bu lông vít chặt lại. Ghép xen kẽ thì toàn bộ lõi thép phải ghép đồng thời và các lá thép được xếp xen kẽ với nhau lần lượt theo trình tự a, b. Hình 1-4: Ghép xen kẽ lõi thép máy biến áp ba pha Sau khi ghép, lõi thép cũng được vít chặt bằng xà ép và bu lông . Phương pháp này tuy phức tạp song giảm được tổn hao do dòng điện xoáy gây nên và rất bền về phương diện cơ học, vì thế hầu hết các máy biến áp hiện nay đều dùng kiểu ghép này. Do dây quấn thành hình tròn, nên tiết diện ngang của trụ thép thường làm thành hình bậc thang gần tròn. Gông từ vì không có dây quấn, do đó, để thuận tiện cho việc chế tạo tiết diện ngang của gông có thể làm đơn giản: hình chữ nhật , hình chữ thập hoặc hình chữ T. Để đảm bảo an toàn: toàn bộ lõi thép được nối đất với võ máy và võ máy phải được nối đất. 1.5.3. Dây quấn Dây quấn là bộ phận dẫn điện của máy biến áp, làm nhiệm vụ thu năng lượng vào và truyền năng lượng ra. Kim loại làm dây quấn thường bằng đồng, cũng có thể dùng dây quấn bằng nhôm nhưng không phổ biến. Theo cách sắp xếp dây quấn cao áp và hạ áp, người ta chia ra hai loại dây quấn chính: dây quấn đồng tâm và dây quấn xen kẽ. - Dây quấn đồng tâm Dây quấn đồng tâm tiết diện ngang là những vòng tròn đồng tâm. Dây quấn hạ áp thường quấn phía trong gần trụ thép, còn dây quấn cao áp quấn phía ngoài bọc lấy dây quấn hạ áp. Với cách quấn này có thể giảm bớt điều kiện cách điện của dây quấn cao áp. Trong dây quấn đồng tâm lại có nhiều kiểu khác nhau, dây quấn hình trụ, dây quấn hình xoắn, dây quấn xoáy ốc liên tục. - Dây quấn xen kẽ Các bánh dây quấn cao áp và hạ áp lần lượt xen kẽ nhau dọc theo trụ thép. 1.5.. Võ máy Võ máy gồm hai bộ phận thùng và nắp thùng. - Thùng máy biến áp Thùng máy làm bằng thép. Tùy theo dung lượng của máy biến áp mà hình dáng và kết cấu thùng khác nhau. Lúc máy biến áp làm việc, một phần năng lượng bị tiêu hao thoát ra dưới dạng nhiệt đốt nóng lõi thép, dây quấn và các bộ phận khác làm cho nhiệt độ của chúng tăng lên. Để đảm bảo cho máy biến áp vận hành liên tục với tải định mức trong thời gian qui định và không bị sự cố, phải tăng cường làm lạnh bằng cách ngâm máy biến áp trong thùng dầu. Đối với máy biến áp dung lượng lớn để giảm kích thứơc của máy và tăng cường làm mát, người ta dùng loại thùng dầu ống có hoặc thùng dầu có gắn các bộ tản nhiệt. Những máy biến áp có dung lượng trên 10000 kVA, người ta dùng những bộ tản nhiệt có thêm quạt gió để tăng cường làm lạnh. - Nắp thùng Dùng để đậy thùng và trên đó đặt các chi tiết máy quan trọng như. Các sứ đầu ra của dây quấn cao áp và hạ áp. Làm nhiệm vụ cách điện giữa dây dẫn ra với võ máy. Bình giãn dầu, ống bảo hiểm. Ngoài ra trên nắp còn đặt bộ phận truyền động của cầu dao đổi nối các đầu điều chỉnh điện áp của dây quấn cao áp. 1.6. TỔ NỐI DÂY CỦA MÁY BIẾN ÁP Để máy biến áp có thể làm việc được các dây quấn pha sơ cấp và thứ cấp phải được nối với nhau theo một qui luật xác định. Ngoài ra, sự phối hợp kiểu nối dây quấn sơ cấp và thứ cấp cũng hình thành các tổ nối dây quấn khác nhau. Hơn nữa, khi thiết kế máy biến áp, việc qui định tổ nối dây quấn cũng phải thích ứng với kết cấu mạch từ để tránh những hiện tượng không tốt như sức điện động pha không sin, tổn hao phụ tăng v.v .. Trước khi nghiên cứu tổ nối dây của máy biến áp ta hãy xét cách ký hiệu đầu dây và cách đấu các dây quấn pha với nhau. 1.6.1. Cách ký hiệu đầu dây Các đầu tận cùng của dây quấn máy biến áp, một đầu gọi là đầu đầu, đầu kia gọi là đầu cuối. Đối với máy biến áp một pha có thể tùy chọn đầu đầu và đầu cuối. Đối với máy biến áp ba pha , các đầu đầu và đầu cuối phải chọn một cách thống nhất: giả sử dây quấn pha A đã chọn đầu đầu đến đầu cuối theo chiều kim đồng hồ ( hình vẽ ) thì dây quấn pha B, C còn lại cũng phải chọn như vậy. Điều này rất cần thiết, bởi vì nếu một pha ký hiệu ngược thì điện áp dây lấy ra sẽ mất tính đối xứng. Hình 1-5: Cách qui ước các đầu đầu và đầu cuối của dây quấn máy biến áp. Điện áp dây không đối xứng khi ký hiệu ngược. Để thuận tiện cho việc nghiên cứu người ta thường đánh dấu lên sơ đồ dây quấn của máy biến áp với qui ước như sau. Các đầu tận cùng Dây quấn cao áp (CA) Dây quấn hạ áp (HA) Đầu đầu Đầu cuối Đầu dây trung tính A , B , C X , Y , Z O hay N a , b , c x , y , z o hay n Đối với máy biến áp ba dây quấn ngoài hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp còn có dây quấn điện áp trung. Dây quấn này được ký hiệu như sau: đầu đầu bằng các chữ Am, Bm, Cm; đầu cuối bằng các chữ Xm, Ym, Zm và đầu trung tính bằng chữ Om. 1.6.2. Các kiễu đấu dây quấn Dây quấn máy biến áp có thể đấu sao ( ký hiệu bằng dấu “ Y “ ) hay hình tam giác ( ký hiệu bằng dấu “ D” hay “” ). Đấu sao thì ba đầu X, Y, Z nối lại với nhau, còn ba đầu A, B, C để tự do. Nếu đấu sao có dây trung tính thì ký hiệu bằng dấu “ Yo”. Đấu tam giác thì đầu cuối của pha này nối với đầu đầu của pha kia hoặc theo thứ tự AX – BY – CZ – A, hoặc theo thứ tự AX – CZ – BY – A. Các máy biến áp công suất, thường dây quấn cao áp được đấu Y, còn dây quấn hạ áp đấu tam giác, bởi vì làm như vậy thì phía cao áp, điện áp pha nhỏ đi lần so với điện áp dây, do đó giảm được chi phí và điều kiện cách điện; phía hạ áp thì dòng điện pha nhỏ đi lần so với dòng điện dây, do đó có thể làm nhỏ dây dẫn thuận tiện cho việc chế tạo. Ngoài hai kiểu đấu dây trên, dây quấn máy biến áp có thể đấu theo kiểu zic – zăc ( ký hiệu bằng chữ “ Z” ) lúc đó mỗi pha gồm hai nữa cuộn dây trên hai trụ khác nhau nối tiếp và mắc ngược nhau. Kiếu đấu này thường rất ít dùng vì tốn nhiều đồng hơn. 1.6.3. Tổ nối dây của máy biến áp Tổ nối dây của máy biến áp được hình thành do sự phối hợp kiểu đấu dây quấn sơ cấp so với kiểu đấu dây quấn thứ cấp. Nó biểu thị góc lệch pha giữa các sức điện động dây quấn sơ cấp và dây quấn thứ cấp máy biến áp. Góc lệch pha này phụ thuộc vào các yếu tố sau Chiều quấn dây Cách ký hiệu các đầu dây Kiểu đấu dây quấn ở sơ cấp và thứ cấp Để thuận tiện người ta không dùng “độ” để chỉ góc lệch pha đó mà dùng phương pháp kim đồng hồ để biểu thị gọi là tổ nối dây của máy biến áp. Cách biểu thị đó như sau: kim dài của đồng hồ chỉ sức điện động dây sơ cấp đặt cố định ở con số 12, kim ngắn chỉ sức điện động dây thứ cấp đặt tương ứng với các con số 1, 2, ... , 12 tùy theo góc lệch pha giữa chúng là 30, 60, ..., 360o . Như vậy theo cách ký hiệu này thì máy biến áp ba pha sẽ có 12 tổ nối dây. Trong thực tế sản xuất nhiều máy biến áp có tổ nối dây khác nhau rất bất tiện cho việc vận hành và chế tạo, vì thế ở nước ta chỉ sản xuất máy biến áp điện lực có tổ nối dây như sau. Đối với máy biến áp một pha có tổ I/I-12, đối với máy biến áp ba pha có các tổ nối dây Y/Yo-12 ,Y/d-11, Yo/d-11. 1.7. Những hiện tượng xuất hiện khi từ hóa lõi thép Khi từ hóa lõi thép máy biến áp, do mạch từ bão hòa sẽ làm xuất hiện những hiện tượng mà trong một số trường hợp những hiện tượng ấy có thể ảnh hưởng đến tình trạng làm việc của máy biến áp. Khi máy biến áp làm việc không tải ảnh hưởng của hiện tượng bão hòa mạch từ lớn nhất. Nghiã là khi đặt vào dây quấn sơ cấp điện áp hình sin, còn dây quấn thứ cấp hở mạch. Sự ảnh hưởng của hiện tượng bão hòa mạch từ với máy biến áp một pha và ba pha có sự khác nhau. Đối với máy biến áp ba pha ảnh hưởng của hiện tượng bão hòa mạch từ còn phụ thuộc vào kiểu dáng mạch từ và tổ nối dây của máy biến áp. 1.7.1. Máy biến áp một pha Điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp sẽ sinh ra dòng điện không tải io chạy trong nó, dòng điện không tải io sinh ra từ thông chạy trong lõi thép máy biến áp. Giả sử điện áp đặt vào hai đầu cuôn dây sơ cấp có dạng u=Umsint và bỏ qua điện áp rơi trên điện trở dây quấn, thì u=-e =w nghĩa là từ thông sinh ra cũng biến thiên hình sin theo thời gian. . Nếu không kể đến tổn hoa trong lõi thép thì dòng điện không tải io chỉ thuần túy là thành phần dòng điện phản kháng dùng để từ hóa lõi thép io=iox . Do đó những quan hệ cũng chính là quan hệ từ hóa B=f(H). Theo lý thuyết cơ sở kỹ thuật điện thì do hiện tượng bão hòa mạch từ, nếu là hình sin, i0 sẽ không sin mà có dạng nhọn đầu và trùng pha với , nghĩa là dòng điện io ngoài thành phần sóng cơ bản io1 còn có các thành phần sóng điều hòa bậc cao: bậc 3, 5, 7 ,... , trong đó thành phần sóng bậc 3 io3 lớn nhất và đáng kể hơn cả, còn các thành phần khác không đáng kể có thể bỏ qua. Nếu mạch từ càng bảo hòa thì io càng nhọn đầu do đó thành phần sóng bậc cao càng lớn đặc biệt là thành phần sóng bậc ba. Khi có kể đến tổn hao trong lõi thép thì quan hệ là quan hệ từ trễ B(H). Khi đó dòng điện từ hóa gồm hai thành phần, tác dụng và phản kháng, io có dạng nhọn đầu và vượt trước một góc nào đó. Góc lớn hay bé tùy thuộc mức độ trể của B đối với H nhiều hay ít, nghĩa là tổn hao từ trễ trong lõi thép nhiều hay ít, vì thế được gọi là góc tổn hao từ trể. Trên thực tế Ior<10%Io , nên dòng điện Ior thực ra không ảnh hưởng đến dòng điện từ hóa nhiều và có thể coi Iox Io. 1.7.2. Máy biến áp ba pha Khi không tải nếu xét từng pha riêng lẽ thì dòng điện bậc ba trong các pha io3A= Io3msin3 i03B=Io3msin 3(-120o)=I03msin 3 i03C=I03msin 3(-240o)= I03msin 3 trùng pha nhau về thời gian, nghĩa là tại mọi thời điểm chiều của dòng điện trong cả ba pha hoặc hướng từ đầu đến cuối dây quấn hoặc ngược lại. Song chúng có tồn tại hay không và dạng sóng như thế nào còn phụ thuộc vào kết cấu mạch từ và cách đấu dây quấn nữa. a) Trường hợp máy biến áp nối Y/y Vì dây quấn sơ cấp nối Y nên thành phần dòng điện bậc ba không tồn tại, do đó dong điện từ hóa io có dạng hình sin và từ thông do nó sinh ra sẽ có dạng vạt đầu. Như vậy có thể xem từ thông tổng gồm sóng cơ bản và các sóng điều hòa bậc cao, . Vì các thành phần từ thông bậc cao hơn 3 rất nhỏ có thể bỏ qua. Đối với tổ máy biến áp ba pha, vì mạch từ của cả ba pha riêng rẽ, từ thông của cả ba pha cùng chiều tồn tại mọi thời điểm sẽ dễ dàng khép kín trong từng lõi thép như từ thông . Do từ trở của lõi thép rất nhỏ, nên có trị số khá lớn. Kết quả là trong dây quấn sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp, ngoài sức điện động cơ bản e1 do từ thông tạo ra, còn có các sức điện động bậc 3 do tạo ra khá lớn E3=(45-60)%E1. Do đó sức điện động tổng trong pha e=e1+e3+ .. sẽ có dạng nhọn đầu, nghĩa là biên độ sức điện đông pha tăng lên rõ rệt, như vậy hoàn toàn không có lợi cho sự làm việc của máy biến áp và trong nhiều trường hợp rất nguy hiểm, như chọc thủng cách điện của dây quấn, làm hư hỏng các thiết bị điện đo lường và nếu trung tính nối đất dong điện bậc 3 sẽ gây ảnh hưởng đến đường dây thông tin. Bởi những lý do đó, trên thực tế người ta không dùng kiểu nối Y/y cho tổ máy biến áp ba pha đối với máy biến áp ba pha 5 trụ thành phần từ thông bậc cao cũng dễ dàng khép mạch trong lõi thép nên những hiện tượng xuất hiện cũng tương tự tổ máy biến áp ba pha. Đối với máy biến áp ba pha ba trụ vì thuộc hệ thống mạch từ chung nên hiện tương sẽ khác đi. Từ thông bằng nhau và cùng chiều trong ba trụ thép tại mọi thời điểm, nên chúng không thể khép mạch từ trụ này qua trụ khác mà bị đẩy ra ngoài và khép mạch từ gông này đến gông kia qua không khí hoặc dầu là môi trường có từ trở lớn. Vì thế không lớn lắm và có thể coi từ thông trong mạch từ là hình sin, nghĩa là sức điện động pha thực tế là hình sin. Nhưng do từ thông bậc 3 đập mạch với tần số 3f qua vách thùng, các bu lông ghép vv... sẽ gây nên những tổn hao phụ làm hiệu suất giảm xuống. Do đó phương pháp đấu Y/y đối với máy biến áp ba pha ba trụ cũng chỉ dùng cho máy biến áp công suất hạn chế từ 5600 kVA trở xuống. b) Trường hợp nối D/y Dây quấn sơ cấp nối D, nên dòng điện io3 sẽ khép kín trong tam giác đó, vì vậy dòng điện từ hóa vì có thành phần bậc 3 sẽ có dạng nhọn đầu, do đó từ thông và các sức từ động của dây quấn sơ cấp và thứ cấp đều có dạng hình sin. Do đó sẽ không có hiện tượng bất lợi như trên xẩy ra. c) Trường hợp máy biến áp ba pha nối Y/d Do dây quấn sơ cấp nối Y nên dòng điện từ hóa trong đó sẽ không có thành phần điều hòa bậc 3, như vậy từ thông sẽ có dạng vạt đầu, nghĩa là tồn tại thành phần từ thông bậc 3 . Từ thông bậc bậc 3 sẽ cảm ứng trong dây quấn thứ cấp sức điện động bậc 3 e23. Đến lượt e23 gây ra trong mạch vòng thứ cấp nối tam giác dòng điện bậc 3 i23, rõ ràng i23 sẽ sinh ra từ thông bậc 3 gần như ngược pha với của dòng điện sơ cấp tạo nên. Do đó từ thông tổng trong lõi thép là . Ảnh hưởng của từ thông bậc 3 trong mạch từ không đáng kể nữa, sức điện động pha sẽ gần như hình sin. Tóm lại khi máy biến áp làm việc không tải, các cách đấu D/y, Y/d đều tránh được tác hại của từ thông và sức điện động điều hòa bậc 3. 1.8. Các định luật thường dùng để nghiên cứu máy biến áp Trọng nghiên cứu máy biến áp thường dùng các định luật sau 1.8.1 Định luật về cảm ứng điện từ. Định luật Faraday Trong các thiết bị điện từ, định luật này được viết như sau e=- Điều đó nói rằng: một sự biến thiên của tổng từ thông móc vòng một mạch điện sẽ tạo ra một sức điện động tỷ lệ với đạo hàm của tổng từ thông biến thiên đó. Cũng có thể viết dưới dạng e=Blv trong đó v là vận tốc chuyển động của một thanh dẫn l nằm trong từ trường có từ cảm B vuông góc với chiều chuyển động của thanh dẫn đó. 1.8.2. Định luật toàn dòng điện Định luật này được diễn tả như sau Tích phân vòng của cường độ từ trường theo một đường khép kín bất kỳ bao quanh một số mạch điện bằng tổng dòng điện trong các mạch. F chỉ giá trị của sức từ động lên mạch từ đó. 1.8.3. Định luật về lực điện từ. Định luật laplace Đây là một định luật cho ta giá trị của lực tác dụng trên một đơn vị dòng điện đặt ở điểm M có từ cảm . Lực này bằng tích vectơ của đơn vị dòng điện với vectơ từ cảm =x lực tác dụng trên một đoạn dây dẫn mang dòng điện nằm trong từ trường bằng : f= trong đó là góc giữa từ cảm với vectơ dòng điện . Nếu từ trường đều và dây dẫn thẳng, ta có f= 1.8.4. Năng lượng trường điện từ Năng lượng tổng trong một thể tích từ trường có không đổi bằng: W== Trong trường hợp này, Li= chỉ từ trường móc vòng bởi dòng điện i và L là từ cảm của cuộn dây. Nếu thiết bị điện từ có hai hoặc nhiều mạch điện có hỗ cảm điện từ thì năng lượng điện từ của hai mạch điện có hỗ cảm bằng W12= Tất cả các phương trình cân bằng điện áp của các loại máy điện được biểu thị theo định luật Krirhôff bằng một phương trình ma trận có dạng trong đó: u-vectơ điện áp có các thành phần bằng các điện áp đặt vào các mạch điện tương ứng với các dây quấn của mạch điện. i- là vectơ dòng điện có các thành phần dòng điện chạy trong các mạch điện z- là ma trận tổng trở Mômen điện từ sinh ra trong máy điện sẽ bằng M=k trong đó : - vectơ từ thông móc vòng có các thành phần bằng từ thông do các dây quấn sinh ra CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN CÁC KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU CỦA MÁY BIẾN ÁP 2.1. CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẤU Công suất định mức: S= 500 KVA Điện áp định mức : = 22/0.4 KV, Tần số : f=50Hz Tổn hao không tải : Po=1000 W Tổn hao ngắn mạch : Pn=5500W Dòng điện không tải : io=2% Điện áp ngắn mạch : un=4% Kiểu máy: Mạch từ phẳng , ngâm dầu, làm lạnh bằng đối lưu tự nhiên 2.2. TÍNH CÁC ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN Dựa vào nhiệm vụ thiết kế trước hết xác định các đại lượng cơ sau đây + Công suất một pha của máy biến áp + Công suất một trụ trong đó t là số trụ tác dụng t=3, m là số pha của máy biến áp m=3 pha, S công suất định mức của máy biến áp + Dòng điện dây định mức - Dòng điện dây phía cao áp - Dòng điện dây phía hạ áp + Dòng điện pha định mức - Phía cao áp - Phía hạ áp + Điện áp pha định mức - Điện áp pha định mức phia cao áp, phía cao áp nối tam giác ta có - Điện áp pha định mức phía hạ áp, phía hạ áp nối sao ta có + Điện áp thử dây quấn: Tra bảng 14-5 trang 106 TKMBA theo tiêu chuẩn : TCVN6306-3 :1997 Để xác định khoảng cách cách điện giữa các dây quấn, các phần dẫn điện khác và các bộ phận nối đất của máy biến áp cần phải biết các trị số điện áp thử của chúng. Dựa theo cấp điện áp của dây quấn chọn điện áp thử tương ứng - Điện áp thử dây quấn cao áp Ut1=50 (KV) - Điện áp thử dây quấn hạ áp Ut2=3(KV) + Các thành phần điện áp ngắn mạch - Thành phần tác dụng của điện áp ngắn mạch Pn : tổn hao ngắn mạch (W) S : dung lượng máy biến áp (kVA) Thay số vào ta được - Thành phần phản kháng của điện áp ngắn mạch 2.3. THIẾT KẾ SƠ BỘ LỖI SẮT VÀ TÍNH TOÁN CÁC KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU CỦA MÁY BIẾN ÁP 2.3.1. Thiết kế sơ bộ lõi sắt Từ yêu cầu của nhiệm vụ thiết kế máy biến áp mạch từ không gian. Lõi sắt của máy biến áp gồm hai bộ phận chính, trụ và gông. Lõi sắt là phần mạch từ của máy biến áp do đó thiết kế nó cần phải làn sao cho tổn hao chính cũng như tổn hao phụ nhỏ, dòng điện không tải nhỏ, trọng lượng tôn silic ít và hệ số điền đầy của lõi sắt cao. Mặt khác lõi sắt còn làm khung mà trên đó để nhiều bộ phận quan trọng của máy biến áp như dây quấn, giá đỡ dây dẫn ra. Hơn nữa, lõi sắt có thể chịu 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. Trụ được làm từ lá thép kỹ thuật điện ghép lại thành hình bậc thang vì vậy lá thép dùng để làm trụ gồm nhiều thếp có kích thước khác nhau. Số bậc thang của trụ càng nhiều thì tiết diện trụ càng gần tròn, nhưng số tập lá thép càng nhiều, nghĩa là số lượng các lá tôn có kích thước khác nhau càng nhiều làm cho quá trình chế tạo lắp ráp lõi thép càng phức tạp Để đảm bảo được đường kính tiêu chuẩn, kích thước lá thép từng tệp trong trụ và số bậc của trụ cũng được tiêu chuẩn hóa. Ép trụ có rất nhiều cách, tùy theo công suất và đường kính trụ máy biến áp. Để giảm tổn hao trong mạch từ và đảm bảo cho mạch từ chắc chắn và lực ép phân bố đều trên lõi thép ta dùng băng vải thủy tinh. Gông là phần mạch từ dùng để khép kín mạch từ với máy biến áp mạch từ không gian gông được làm bằng thép cuộn quấn lại. Khi chế tạo gông ta dùng một miếng lót để tạo lỗ tương ứng với phần giữa trụ để cố định trụ và gông với nhau 2.3.2. Tính toán lựa chọn phương án: l o l o a 12 d 12 d a 22 a o1 a 2 a 1 l C Hình 2-1 d: đường kính trụ sắt l: chiều cao dây quấn d12: đường kính trung bình giữa hai dây quấn hay của rảnh dầu giữa hai dây quấn Trong tính toán thiết kế máy biến áp các kích thước cơ bản trên được xác định thì hình dáng, thể tích và các kích thước khác cũng được xác định. Trong thiết kế máy biến áp thường dùng trị số để chỉ quan hệ giữa đường kính trung bình của các dây quấn với chiều cao l của dây quấn gọi là tỷ số kích thước cơ bản Trị số này biến thiên trong khoảng rộng 1,0 đến 3,6 và ảnh hưởng rất lớn tới đặt tính kỹ thuật và kinh tế của máy biến áp Chọn các số liệu xuất phát và tính các kích thước chủ yếu Các số liệu xuất phát được chọn theo điện áp thử của các cuộn dây cao áp và hạ áp tra bảng (14-5,6) trang 106 tài liệu 2 ta có: - là chiều rộng rãnh dầu giữa cuộn cao áp và cuộn hạ áp ta chọn theo điện áp thử của cuộn cao áp theo bảng (14-2) trang 104 tài liệu 2 ta có: - là bề dày lớp cách điện ở giữa rãnh dầu, dùng ống cách điện bakelit là một kích thước dài phụ thuộc vào công suất máy biến áp, gần đúng có thể xem k là một hệ số tra bảng 12 trang 190 tài liệu 1, chọn k=0,45 - Chiều rộng qui đổi từ trường tản - Hệ số qui đổi từ trường tản:qui đổi từ trường tản thực tế về từ trường tản lý tưởng hệ số này thay đổi rất ít trong tính toán sơ bộ ta chọn 2.3.2.2. Chọn vật liệu Chọn tôn cán lạnh mã hiệu MX4 dày 0,28(mm), theo bảng 11 trang 190 tài liệu 1 với tôn 3404,3405,3406,3407,3408 =(1,55-1,65)T .Do tôn MX4 co suât tổn hao thấp nên ta chọn Bt=1.64 Hệ số là tỷ số giữa tiết diện gông và tiết diện trụ. Vì gông không làm bậc thang như trụ nhưng ở chổ ghép nối giữa trụ và gông có tiết diện hình tròn gần với tiết diện trụ nên chọn , mật độ từ cảm trong gông Mật độ từ thông trong khe hở không khí . Suất tổn hao sắt trong trụ và gông tra bảng 45 trang 216 tài liệu 1 ta có: tra bảng ta có với , ,. Dùng phương pháp nội suy ta có: yt=y1+ >(W/kg) Suất từ hóa q của tôn cán lạnh MX4 tra bảng 51 trang 221 tài liệu 1 Bt=1,64 Tra bảng , tra bảng 50 với , dùng phương pháp nội suy ta có: 2.3.2.3. Các khoảng cách cách điện chính Dựa vào điện á._.p thử của cuộn cao áp và cuộn hạ áp tra bảng 14-1,2; hình 14-3,5; hình 20-4, 5 để tra ra khoảng cách cách điện, ta có: - Trụ và dây quấn hạ áp tra theo điện áp thử cuộn hạ áp Uth2=3000 , trong khoảng 4 đến 10 mm : - Giữa dây quấn cao áp và hạ áp - Ống cách điện giữa dây quấn cao áp và hạ áp - Giữa các dây quấn cao áp - Từ dây quấn đến gông - Tấm chắn giữa các pha chọn trong khoảng 3 đến 4 mm: - Phần đầu thừa của ống cách điện 2.3.2.4. Thiết lập công thức tính trọng lượng vật liệu tác dụng Xuất phát từ công thức (2-35) (2-1) ta có những nhận xét sau - Đối với máy biến áp thiết kế thì S’, unx, f đã biết - Từ cảm Bt được chọn tương ứng với mã hiệu thép được chọn - Các hệ số kld, kr,, ar hầu như thay đổi rất ít. Vậy trong biểu thức đường kính d, chỉ còn lại là biến đổi trong phạm vi rộng quyết địng sự thay đổi của đường kính d: ta đặt d=A.x, A=(2-2) x= (2-3) Vấn đề là phải tìm được tối ưu, nghĩa là có những đặc tính của máy biến áp đã cho, giá thành nhỏ và vận hành kinh tế nhất 2.3.2.4.1. Trước hết ta xác định trọng lượng tác dụng của máy biến áp a) Trọng lượng tác dụng của lõi sắt Lõi sắt gồm hai phần trụ và gông. Căn cứ vào kích thước hình học của nó, biết tỷ trọng sắt ta tính được trọng lượng - Trọng lượng trụ: theo hình vẽ (2-1 ) ta có: (2-4) Trong đó: t là số trụ sắt t=3, Tt tiết diện trụ, =7650(kg/m3) tỷ trọng của sắt , l chiều cao dây quấn, lo khoảng cách từ dây quấn đến gông. Theo kinh nghiệm thì tỷ số giữa d12và d hầu như không thay đổi với một trị số a: d12=a.d Trị số a phụ thuộc vào công suất, cấp điện áp cũng như phụ thuộc cấp độ tổn hao ngắn mạch pn, kim loại làm dây quấn. Thay d=A.x, d12=ad=aAx và vào công thức (2-4) ta có: trong đó: A1=5.663.104.a.A3kld (kg), A2=3.605.104A2.kld.lo(kg) - Trọng lượng gông Trọng lượng gông có thể tính theo công thức sau: Gg= B1x3+B2x2 (kg) Trong đó: B1=3.6.104kg.kld.A3(a+b): B2=3.6.104.kg.kld.A2(a12+a22): Trong tính toán sơ bộ ta lấy a theo bảng 13 a=(1,33-1,45) chọn a=1,33, b chọn theo bảng 14 b=(0,4-0,46) chon b=0,4 Trọng lượng tác dụng của lõi thép máy biến áp: GFe=Gt+Gg - Trọng lượng gông phần góc nối Theo công thức 2-50d trang 46 tài liệu 1 e hệ số quy đổi nửa hình trụ bậc thang về hình chữ nhật .Máy biến áp ba pha công suât <630 chọn e=0.405 b) Trọng lượng kim loại dây quấn: theo công thức 2-55 trang 47 tài liệu 1 ta có (2-7) trong đó đối với dây quấn đồng kdq=2,46 Nếu kể đến cả trọng lượng cách điện của dây quấn và phần dây dẫn tăng lên dùng để điều chỉnh điện áp ở cuộn cao áp thì trọng lượng tính theo 2-7 phải nhân thêm một hệ số k=1,03.1,03=1,06 Sau khi tính được trọng lượng sắt và dây quấn ta có thể tính được giá thành vật liệu nói chung là Trong đó: cFe, cdq tương ứng là giá 1kg sắt làm lõi và kim loại làm dây quấn biến áp Thông thường để dễ so sánh các phương án tính toán khác nhau, người ta biểu diển giá thành theo đơn vị qui ước, với cách chọn giá thành 1kg sắt làm đơn vị ,như vậy giá thành vật liệu tác dụng máy biến áp sẽ là trong đó kdqFe= là hệ số phụ thuộc vào vật liệu làm lõi sắt và kim loại làm dây quấn .Với dây quấn đồng tra bảng 16 trang 192 tài liệu 1 ta chọn kdqFe=1.825 2.3.2.5. Tính các hệ số a. Hệ số lợi dung lõi thép: kld=kc.kđ, kđ= trong đó Tt(hay Tg) là tiết thuần thép hay tiết diện tác dụng của trụ hay gông, Tg là tiết diện tác dụng toàn bộ hình bậc thang của trụ hay gông tra ở bảng 10 tài liệu 1 ta có kđ=0,945 Kc= trong đó chọn so bộ bang 4 trang 186 tài liệu 1 kc=0,928, Tb là tiết diện hình bậc thang đã kể đến các chi tiết chiếm chỗ như đệm cách điện đai ép lỗ bắt gông. A= A1=5,663.104.a.A3kld= A2=3,605.104A2.kld.lo=(kg) B1=3,6.104kg.kld.A3(a+b)=(kg) Trong đó K hệ số tăng cường gông mạch từ nằm trong khoảng 1.015-1.025 Chon K=1.015 B2=3.6.104.kg.kld.A2(a12+a22)= (kg) - 336,48kg) - 2.3.2.6. Tiết diện trụ: sơ bộ tính theo công thức 0,0206.x2(m2) 2.3.2.7. Tiết diện khe hở không khí: mối nối chéo Tk’=Tt .=0,2913x2 2.3.2.8. Tổn hao không tải: xác định theo công thức (2-8) Với kpf hệ số kể đến ảnh hưởng của các tổn hao phụ tra ở bảng 48 tài liệu 1 ta có kpf =1.13, , pg=1,07(W/kg) Kpo hệ số gia tăng tổn hao công suất góc nối kpo =9.1 tra bang 47 trang 218 tài liệu 1 Thay số vào ta được po=1,338Gt+1,2091Gg+3.383 G0 2.3.2.9. Công suất từ hóa: theo công thức 5-31 tài liệu 1 Q=+ +6. ”.. T’ Trong đó hệ số ’ đối với thép MX4 có ủ sau khi cắt dập là 1.13, Ứng máy có công suất từ 400 đến 630 có ”=1.06 qt= 1.976, qg =1.479 , tra bang 53 ta co =27.95 Ứng với B= B/=1.15966 Ta có B=1.1, q=1900 ; B=1.2, q=3700 Dùng phương pháp nội suy ta có yt=y1+ >(W/kg) 2.3.2.10. Trọng lượng sắt góc nối mạch từ = =22.437x 2.3.2.11. Dòng điện không tải - Dòng điện không tải tác dụng ior=% - Dòng điện không tải phản kháng i0x=% - Dòng điện không tải toàn phần io =% Đồ thị biểu diễn quan hệ : Gfe=F(β) 1.2 1.4 1.55 1.7497 1.8 2 2.4 2.6 2.8 663.6178 689.0189 708.4214 734.4772 741.0595 767.2451 819.4088 845.2839 870.9835 Đồ thị biểu diễn quan hệ :P0=f(β) 1.2 1.4 1.55 1.7497 1.8 2 2.4 2.6 2.8 927.6376 968.685 999.7504 1041.198 1051.631 1093.009 1174.998 1215.508 1255.666 Đồ thị biểu diễn quan hệ Ctd =f(β) 1.2 1.4 1.55 1.7497 1.8 2 2.4 2.6 2.8 1257.819 1239.143 1231.249 1226.565 1226.223 1227.512 1239.573 1248.964 1259.98 Đồ thị biểu diễn quan hệ : I0=f(β) 1.2 1.4 1.55 1.7497 1.8 2 2.4 2.6 2.8 1.046855 1.130647 1.191349 1.269678 1.289 1.364355 1.508847 1.578406 1.646398 2.3.2.12. Lựa chọn phương án Theo bảng đã tính và đồ thị đã vẽ thì các đại lượng được quan tâm theo , GFe, Gdq, po, io, Ctd’=f() Với giới hạn po=1000(w) đã cho ta tìm được trên đồ thi po=f( )tri số , với io=2% ta tìm được trên đồ thị io=f() mọi trị số thỏa mãn .Trên đồ thị Ctd=f() cho trị số ứng với Ctd=f() --> min nếu Ctd không vượt quá 1% so với giá trị Ctdmin thì biến thiên trong một giải khá rộng từ 1,41-2,37. Vậy ta chọn Từ đó suy ra đường kính trụ sắt lõi thép: =0,194(m) - Để đảm bảo hệ số điền đầy, tiêu chuẩn các tập lá thép trong trụ ta phải chọn đường kính trụ theo tiêu chuẩn theo bảng ta chọn d=0,2(m). Sau khi chọn đường kính trụ theo tiêu chuẩn ta tính lại trị số . Khi đó trị số này nằm trong giới hạn Ctd và I0 cho phép. Đồng thời P0=1041 , sai lệch tổn hao không tải = Theo quy định tổn hao không tải không vượt quá 7,5% so với tổn hao tiêu chuẩn vậy với =1.75 thỏa man yêu cầu về P0. Vậy =1.75 thỏa mãn yêu cầu P0, Ctd,I0 . Chọn =1.75 - Trị số trung bình sơ bộ của rãnh dầu d12=a.d=1,33.0,2=0,266(m) - Chiều cao cuộn dây l=0,4774(m) -Tiết diện hữu hiệu của trụ thuần sắt Tt=kđ.Tb=0,945.0,0288=0,0272(m), trong đó Tb =0,0288 tra theo bảng 42 tài liệu 1 Những đại lượng trên chỉ là tính toán sơ bộ nhưng rất cần thiết cho những tính toán về sau và chúng được tính lại sau khi máy biến áp đã được thiết kế cụ thể CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN DÂY QUẤN MÁY BIẾN ÁP 3.1. CÁC YÊU CẦU CHUNG ĐỐI VỚI DÂY QUẤN Yêu cầu chung về dây quấn có thể chia thành hai loại yêu cầu sau đây: yêu cầu về vận hành và yêu cầu về chế tạo. 3.1.1. Yêu cầu về vận hành Có thể chia thành yêu cầu về mặt điện và mặt cơ a) Về mặt điện Khi vận hành dây quấn máy biến áp có điện áp, do đó cách điện của máy biến áp phải tốt, nghĩa là phải chịu được điện áp làm việc bình thường và quá điện áp do đóng cắt mạch trong lưới điện hay do quá điện áp thiên nhiên gây nên. Quá điện áp do đóng cắt với điện áp làm việc bình thường, thường chủ yếu là đối với cách điện chính của máy biến áp, tức là cách điện giữa các dây quấn với nhau và giữa dây quấn với vỏ máy. Còn quá điện áp do sét đánh lên đường dây thường ảnh hưởng cách điện dọc của máy biến áp. Tức là giữa các vòng dây, lớp dây hay giữa các bánh dây của từng dây quấn. b) Về mặt cơ học Dây quấn không bị biến dạng hoặc hư hỏng dưới tác dụng của lực cơ học do dòng điện ngắn mạch gây nên. c) Về mặt chịu nhiệt Khi vận hành bình thường cũng như trong trường hợp ngắn mạch, trong một thời gian nhất định, dây quấn không được nóng quá nhiệt độ cho phép. Vì lúc đó chất cách điện sẽ bị nóng qúa mà chóng hư hỏng hoặc bị già hóa làm cho nó mất tính đàn hồi, hóa giòn và mất tính chất cách điện. Vì vậy khi thiết kế phải đảm bảo sao cho tuổi thọ của chất cách điện đạt từ 15 đến 20 năm. 3.1.2. Yêu cầu về chế tạo Yêu cầu sao cho kết cấu đơn giản, tốn ít nguyên liệu và nhân công, thời gian chế tạo ngắn và giá thành hạ nhưng vẫn đảm bảo được các yêu cầu về mặt vận hành. 3.2. THIẾT KẾ DÂY QUẤN HẠ ÁP 3.2.1. Lựa chọn kết cấu dây quấn hạ áp Việc lựa chọn kết cấu dây quấn kiểu nào là phải tùy thuộc vào yêu cầu về vận hành và chế tạo trong nhiệm vụ thiết kế. Những yêu cầu chính là: đảm bảo độ bền về mặt điện, cơ, nhiệt, đồng thời chế tạo đơn giản và rẻ tiền. Chủ yếu phụ thuộc vào những đại lượng điện của chúng : dòng điện tải trên một trụ It, công suất trên trụ S’ , điện áp định mức và tiết diện ngang một vòng dây s. Trước hết ta phải xác định tiết diện của mỗi vòng dây của dây quấn hạ áp theo biểu thức: (3-1) : mật độ dòng điện trung bình trong dây quấn được xác định theo biểu thức: = Trong đó uv là điện áp của một vòng dây được xác định theo công thức: uv=4,44.f.St.Bt=4,44.50.0,0272.1,64=9,909(V) Ta có số vòng dây của một pha dây quấn hạ áp w2==23,3(vòng) ta chọn w2 là 24 vòng Tính lại điện áp của một vòng dây uv==9,623(V) ==2,82.106(A/m2) Tiết diện sơ bộ vòng dây: s2’==255,91(mm2) Theo bảng 38 tài liệu 1 với S=500(KVA), It=721,69(A), U=400(V), s2’=255.91(mm2), chọn dây quấn hình ống 2 lớp, dây dẫn hình chữ nhật, số vòng dây mỗi lớp là 12 vòng. Với dây quấn hình ống kép hai lớp quấn nối tiếp với nhau. Quấn lớp trong từ trên xuống dưới sau đó quấn lớp ngoài quấn ngược từ dưới lên. Như vậy đầu dây lớp trong và đuôi dây lớp ngoài có điện áp bằng điện áp pha dây quấn. Giữa hai lớp dây quấn có rãnh dầu làm mát dày 6 (mm) 3.2.2. Tính toán dây quấn hạ áp - Chiều cao hướng trục mỗi vòng dây: kể cả cách điện, sơ bộ có thể tính hv2==0,01909 (m) Số vòng dây được tăng thêm 1là vì muốn quấn thành ống phải chuyển sang vòng sau đó mới quấn được tuy mới được một vòng nhưng chiều cao phải được tăng thêm 1 vòng ở chỗ chuyển vòng Căn cứ vào hv2 và s2’ ta chọn dây dẫn, theo bảng 44-10 tài liệu 2 ta chọn kích thứơc dây dẫn cuộn hạ áp như sau: 4x 59,6 mm2 4 là số sợi dây chập chiều dày cách điện hai phía là - Tiết diện của mỗi vòng dây gồm 5 sợi chập đã chọn là s2=4.59,6=238,4(mm) - Mật độ dòng điện thực của sây quấn ==3,027(A/mm2) - Chiều cao tính toán của dây quấn hạ áp l2=hv2(w22+1)+(0,005-0,015)(m) w22=, n là số lớp n=2, hv2=3.b’, b’ là chiều cao một sợi chập kể cả cách điện l2=3.b’(w22+1)+(0,005-0,015).103 =3.10,02(12+1).10+(0,005-0,015) .103=521,045(mm) a 01 D'' 2 D' 2 d b b' h a 21 a 2 a a' trị số 0,005-0,015 m là chiều cao tăng lên kể đến việc quấn không chặt lấy bằng 0.005m Hình 3-1: Dùng để xác định kích thước của dây quấn hạ áp - Bề dày của dây quấn hạ áp: đối với dây quấn hình ống kép ta có a2=(2.a’+a22)=(2.7.22 +6)= 20,44(mm), trong đó a’ bề dày một lớp kể cả cách điện a22 là bề rộng rãnh dầu ở giữa hai lớp: - Đường kình trong của dây quấn hạ áp D2’=d+2.a01=200+2.5=210 (mm) - Đường kính ngoài của dây quấn hạ áp D2’’=D2’+2.a2=210+2.20.44=250,88 (mm) - Bề mặt làm lạnh của dây quấn hạ áp: theo cộng thức 3-17 M2=(n+1)t.k.(D2’+D2’’)l2 trong đó n là số rãnh dầu dọc trục của dây quấn hạ áp: n=1, k=0,75 là hệ số kể đến sự che khuất bề mặt dây quấn do que nêm và các chi tiết cách điện khác --> M2=(1+1)3.0,75. (210+250,88).10-3.521,045.10-3=3.9316 (m2) -Trọng lượng của dây quấn hạ áp: tính theo công thức 4-4a trang 103 tài liệu 1 =>GCu2=110,54 (kg), theo bảng 24 tài liệu 1 cần phải tăng trọng lượng dây dẫn do cách điện lên 2% nên trọng lượng của dây dẫn là Gdd2=1,02 .GCu2=1,02.110,54=112,75 (kg) 3.2.3. Bố trí dây quấn hạ áp Dây quấn hạ áp được quấn thành hai lớp. Vì dây quấn hạ áp làm bằng dây dẫn hình chữ nhật nên để quấn được dây dọc theo đường tròn trụ ta bố trí 11 căn dọc bằng gỗ. Kích thước của căn dọc cụ thể như sau 4x20x454 mm . Căn dọc được đặt trên lớp cách điện dày 1 mm quấn quanh trụ . Quấn xong lớp thứ nhất ta lại đặt 12 căn dọc với kích thước 6x20x 454 mm để làm rãnh dầu dọc trục làm mát dây quấn. Hình 3-2: Dây quấn hạ áp 3.3. THIẾT KẾ DÂY QUẤN CAO ÁP - Số vòng dây của dây quấn cao áp ứng với điện áp định mức w1đm=w2 =2286(vòng ) - Số vòng dây của các nức điều chỉnh điện áp Vì máy biến áp làm việc với tải luôn luôn thay đổi. Khi tải thay đổi, điện áp của máy biến áp 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 cho thích hợp. Các đầu điều chỉnh điện áp ta bố trí trên cuộn dây cao áp, vì bản thân cuộn cao áp có nhiều vòng dây có thể điều chỉnh chính xác, mặt khác dòng điện nhỏ nên có thể làm bộ đổi nối nhỏ, gọn. Khi muốn tăng hay giảm điện áp cuộn hạ áp thì phải giảm hay tăng số vòng dây của cuộn cao áp vì vậy ta có thể điều chỉnh điên áp ra của cuộn hạ áp một cách ổn định. Tiêu chuẩn quốc tế những năm gần đây qui định như sau. Tất cả những máy biến áp dầu công suất từ 25 đến 200000 KVA khi điều chỉnh không có kích thích thì cuộn cao áp có 4 cấp điều chỉnh điện áp là +5%, +2,5%, -2,5%, -5% điện áp định mức. Việc chuyển đổi các đầu điều chỉnh điện áp được tiến hành nhờ bộ đổi nối riêng đặt trong máy biến áp có tay quay điều khiển gắn trên nắp thùng Số vòng dây của các nấc điều chỉnh điện áp như sau: - Số vòng dây ứng với một nấc điêu chỉnh wđc=0,025w1đm=0,025.2286=57 (vòng ) --> 22000-5%-điện áp dây: w11=2286-2.wđc=2286-2.57=2172(vòng) -->22000-2,5%-điện áp dây: w12=2286-wđc=2286-57=2229(vòng ) -->22000 : w1=2286 (vòng) -->22000+2,5%-điện áp dây: w13=2286+wđc=2286+57=2343(vòng) -->22000+5% -điện áp dây: w14=2286+2.wđc=2286+2.57=2400(vòng ) Khi điều chỉnh điện áp sẽ có một số vòng dây không có dòng điện do đó lực tác dụng lên trọng tâm dây quấn lệch đi làm cho máy biến áp phải chịu những lực chiều trục đáng kể. Để giảm tác dụng của lực chiều trục ta bố tri cuộn giây điều chỉnh điện áp đặt ở giữa dây quấn. Để có điện áp khác nhau bên cao áp phải có đổi nối như sau Điện áp Các cực của dây quấn 23100 A2A3 B2B3 C2C3 22550 A3A3 B3B4 C3C4 22000 A4A5 B4B5 C4C5 21450 A5A6 B5B6 C5C6 20900 A6A7 B5B7 C6C7 Hình 3-4: Sơ đồ điều chỉnh điện áp của dây quấn cao áp - Sơ bộ chọn mật độ dòng điện: theo công thức 3-30 tài liệu 1 =2. 2,82-3,027=2,613(A/mm2) - Sơ bộ chọn tiết diện dây dẫn s1’==2,9(mm2) - Theo bảng 38 chọn dây quấn cao áp: với S=500(KVA), Uf1=22(KV), If1=7,576(A) ta chọn kiểu dây quấn hình ống nhiều lớp, dây dẫn tròn, theo bảng 44-11 trang 606 tài liệu 1 ta chọn dây dẫn mã hiệu ПЭлБО tiêu chuẩn sau : Cách điện hai phía của dây dẫn là 2.=0,21(mm), chỉ dùng một sợi dây n=1 - Mật độ dòng điện thực ==2,533(A/mm2) - Số vòng dây trong một lớp: theo công thức 3-34 tài liệu 1 w12= d1’=2.16 mm là đường kính dây dẫn kể cả cách điện: l1=l2 =521,045 mm chiều cao dây quấn cao áp lấy bằng chiều cao dây quấn hạ áp w11=== 240 (vòng) - Số lớp của dây quấn cao áp n11= (lớp) - Chiều cao dây quấn hạ áp l1=(w11+1)d1’=(240+1)2,16=520.56 (mm) - Bố trí dây quấn D'' 2 D'' 1 D' 1 D' 2 d a 11 a 21 a 01 a 12 a 2 a 1 Dây quấn cao áp được bố trí làm hai nữa có rãnh dầu ở giữa để tăng cường làm mát cho dây quấn. Vì nữa bên trong tản nhiệt và làm mát khó hơn nên ta chia số lớp ít hơn, 4 lớp. Nữa ngoài làm mát và tản nhiệt tốt hơn nên ta chia số lớp nhiều hơn,7 lớp. Dây quấn điều chỉnh điện áp được bố trí ở 2 lớp ngoài cùng. Hình 3-4: Bố trí dây quấn để xác định kích thước dây quấn - Điện áp làm việc giữa hai lớp kề nhau: U11=2.w11.uv=2.240.9,623=4619 (V) Căn cứ vào U11 tra bảng 26 tài liệu 1 ta tra ra cách điện giữa các lớp U11=4619(4501-5000)V cách điện giữa các lớp gồm 9 lớp giấy cáp chiều dày của mỗi lớp mm. Đầu thừa cách điện lớp ở một đầu dây quấn lđl=22 mm Kích thước rãnh dầu dọc giữa dây quấn cao áp tra bảng 44b tài liệu 1 ta có a11=6mm - Chiều dày dây quấn cao áp: theo công thức 3-37a tài liệu 1 a1=[d1’(n+m)+6.[(n-1)+(m-1)]+a11].10-3, trong đó n=4, m=7 là số lớp của mỗi tổ lớp trong và ngoài dây quấn cao áp: --> a1=[2,16(4+7)+6.0,12[(4-1)+(7-1)]+6].10-3=39,12.10-3 m - Đường kính trong của dây quấn cao áp D1’=D2’’+2.a12=250,88+2.18=286,88 mm; a12 là bề rộng rãnh dầu giữa dây quấn cao áp và hạ áp a12=18mm tra theo điện áp thử của cuộn cao áp D2’’ đường kính ngoài của cuộn hạ áp - Đường kính ngoài của dây quấn cao áp D1’’=D1’+2.a1=280+2. 40,2=365,12 mm - Trọng lượng của dây quấn cao áp Trọng lượng của dây quấn cao áp tính theo công thức 4-4a trang 103 tài liệu 1 =>GCu1= 186,812 (kg), cần phải tăng trọng lượng dây dẫn do cách điện lên 4% nên trọng lượng của dây dẫn là: Gdd2=1,04 .GCu2=1,04.186,812=194,285 (kg) - Bề mặt làm lạnh của dây quấn cao áp Đối với dây quấn cao áp có hai tổ lớp , giữa chúng có rãnh dầu làm lạnh tổ lớp trong quấn trực tiếp lên ống cách điện thì có ba mặt làm lạnh bề mặt làm lạnh được tính theo công thức 3-42c trang 94 tài liệu 1 2- dây quấn 3- tấm lót cách điện lớp a 11 vành đệm bằng cách điện a 1 M1=1,5.t.k.D1’+D1’’)l1=1,5.3.0,88.(0,286+0,365).0,520= 4.22 m2 Hình 3-5: Dây quấn cao áp : Đối với dây quấn cao áp dây dẫn tròn, nên dây quấn được quấn trên ống nhựa bakelit chiều dày ống bakelit là 3 mm chiều cao là 454 mm để tăng cường làm mát giữa dây quấn cao áp ta làm rãnh dầu dọc trục để tạo rãnh dầu ta bố trí 12 căn dọc bằng gỗ để định dạng dây quấn kích thước căn dọc như sau 6x20x454 mm. Sau khi thiết kế xong dây quấn ta phải tính toán kiểm tra xem dây quấn thiết kế có đảm bảo yêu cầu kỹ thuật đặt ra như tổn hao ngắn mạch, điện áp ngắn mạch. Dây quấn có chịu được lực cơ học khi ngắn mạch CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH 4.1. XÁC ĐỊNH TỔN HAO NGẮN MẠCH Tổn hao ngắn mạch của máy biến áp là tổn hao trong dây quấn khi ngắn mạch một dây quấn còn dây quấn kia đặt điện áp ngắn mạch Un để cho dòng điện trong cả hai dây quấn đều bằng định mức. + Tổn hao ngắn mạch có thể chia ra các thành phần như sau - Tổn hao chính, tức là tổn hao đồng trong dây quấn cao áp và hạ áp do dòng điên 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 gây ra pf1và pf2 - Tổn hao chính trong dây dẫn ra pr1, pr2 - Tổn hao phụ trong dây dẫn ra. Tổn hao này rất nhỏ ta có thể bỏ qua - Tổn hao trong vách thùng dầu và các kết cấu kim loại khác pt do từ trường tản gây nên Thường tổn hao phụ được gộp vào trong tổn hao chính bằng cách thêm vào hệ số tổn hao phụ. Vậy tổn hao ngắn mạch sẽ được tính theo biểu thức: pn=pCu1.kf1+pCu2.kf2+pr1+pr2+pt (W) 4.1.1. Tổn hao chính - Tổn hao trong dây quấn hạ áp pCu2=2,4 GCu2=2,4.3,0272. 110,54=2431,16(W) - Tổn hao trong dây quấn cao áp pCu1=2,4 GCu1=2,4. 2,5332. 186,812=2878(W) 4.1.2 . Tổn hao phụ trong dây quấn Như trên đã nói tổn hao phụ thường được ghép vào tổn hao chính bằng cách thêm hệ số kf vào tổn hao chính: pCu+pf=pCu.kf B l m dây dẫn n a fd b n dây dẫn k 2 1 Do đó việc xác định tổn hao phụ là xác định trị số kf. Trị số này đôi với mỗi loại dây quấn sẽ khác nhau. Nó phụ thuộc vào kích thước hình học của mỗi loại dây dẫn, vào sự sắp xếp của dây dẫn trong từ trường tản ... Người ta đã tìm ra biểu thức tính toán của kf như sau: - Dây quấn hạ áp Hình 4-1 : Dùng để xác định tổn hao trong dây quấn hạ áp Đối với dây dẫn hạ áp với dây quấn hình chữ nhật với n=2 theo công thức 4-10a kf2=1+0,095.108.a4.(n2-0,2), trong đó =, m=12.4=48 số thanh dẫn song song với từ trường tản, b=9,3mm kích thước thanh dẫn song song với từ trường tản , kr=0,95 hệ số Ragovski. Thay số vào ta được =0,813 n=2 số thanh dẫn thẳng góc với từ trường tản, a=6,5 mm kích thước của thanh dẫn thẳng góc với từ trường tản kf2=1+0,095.108.a4.(n2-0,2)=1+0,095(0,813)2.6,54(22-0,2).10-4= 1,0149 - Dây quấn cao áp l fd m dây dẫn n dây dẫn Hình 4-2: Dùng để xác định tổn hao trong dây quấn cao áp Đối với dây quấn cao áp dùng dây dẫn tròn theo công thức 4-10c trang 105 tài liệu 1 ta có kf1=1+0,044.108 d4.n2 trong đó , d=1,95 mm là đường kính dây dẫn tròn, m=231 =0,854 kf1=1+0,044.108 .β.d4.n2=1+0,044.(0,854)21,954112= 1,0056 - Tổn hao đồng trong dây quấn pCu1.kf1+pCu2.kf2=pCu+pf=2431,16. 1,0149+2878. 1,0056=5361,9(W) 4.1.3. Tổn hao chính trong dây dẫn ra Tương tự như tổn hao trong dây quấn tổn hao trong dây dẫn ra xác định bằng biểu thức - Đối với dây quấn hạ áp pr2=2,4..Gr2 (W) =3,027 (A/mm2) lấy bằng mật độ dòng điện trong dây dẫn hạ áp Gr2=lr2.sr2.(kg) , lr2 chiều dài của dây dẫn ra gần đúng có thể lấy như sau đối với dây quấn hạ áp nối sao theo 4-14 trang 106 tài liệu1 ta có: lr2=7,5l=7,5.520.56= 3904 mm , sr2 tiết diện của dây dẫn ra lấy bằng tiết diện vòng dây của cuộn hạ áp sr2=238,4 mm2, = 8900 (kg/m3) trọng lượng riêng của đồng Gr2=lr2.sr2.= 3904.238,44. 8900.10-9=8,283 (kg) pr2=2,4..Gr2=2,4.3,0272. 8,283=182,19 (W) - Đối với dây quấn cao áp pr1=2,4..Gr1 (W) =2,533 (A/mm2) lấy bằng mật độ dòng điện trong dây dẫn cao áp Gr1=lr1.sr1. (kg), lr1 chiều dài của dây dẫn ra gần đúng có thể lấy như sau đối với dây quấn cao áp nối tam giác theo 4-15 trang 106 tài liệu1 ta có: lr1=14l=14.520,56= 7288 mm, sr1 tiết diện của dây dẫn ra lấy bằng tiết diện vòng dây của cuộn hạ áp sr1=2,99 mm2 , = 8900 (kg/m3) trọng lượng riêng của đồng Gr1=lr1.sr1.=7288. 2,99. 8900.10-9=0,194 (kg) pr1=2,4..Gr1=2,4. 2,533 0,194=2,988 (W) 4.1.4. Tổn hao vách thùng và các chi tiết kim loại khác Như đã biết, một phần từ thông tản của máy biến áp khép mạch qua vách thùng dầu, các xà ép gông, các bu lông và các chi tiết bằng sắt khác. Tổn hao phát sinh trong các bộ phận này chủ yếu là vách thùng dầu có liên quan đến tổn hao ngắn mạch. Tổn hao này khó tính chính xác được. Vì kích thước thùng dầu chưa biết thì đối với máy biến áp hai dây quấn ta tính gần đúng theo công thức sau 4-21 tài liệu 1 pt=10.k.S, trong đó k là hệ số xác định theo bảng 40a tài liệu 1 k=0,015-0,02 ta chọn k=0,015 pt=10.k.S=10.0,015.500= 75 (W) 4.1.5. Tổng tổn hao ngắn mạch của máy biến áp pn=pCu1.kf1+pCu2.kf2+pr1+pr2+pt=5361,9+182,19+2,99+75=5622,07 (W) 4.1.6. Tổn hao ngắn mạch khi điện áp là định mức pnđm=pn-0,05.pCu1.kf1=5622,07-0,05. 2878,2. 1,0056=5477,36 (W) 4.1.7. Sai số của tổn hao ngắn mạch so với yêu cầu đặt ra Pnđm =5477,36< Pn=5500 yêu cầu nên tổn hao ngắn mạch đạt tiêu chuẩn tổn hao ngắn mạch 4.2. XÁC ĐỊNH ĐIỆN ÁP NGẮN MẠCH Điện áp ngắn mạch của máy biến áp hai dây quấn un là điện áp đặt vào một dây quấn với tần số định mức, còn dây kia nối ngắn mạch sao cho dòng điện cả hai phía đều bằng các dòng điện định mức tương ứng. Trị số un là một tham số rất quan trọng ảnh hưởng tới những đặc tính vận hành cũng như kết cấu của máy biến áp. Thật vậy - Khi un bé thì dòng điện ngắn mạch In lớn gây nên lực cơ học trong máy biến áp lớn - Khi un lớn thì điện áp giáng ở trong máy tăng lên ảnh hưởng đến các hộ dùng điện - Sự phân phối tải giữa các máy biến áp làm việc song song có un khác nhau sẽ không hợp lý Do đó để dung hòa hai ảnh hưởng đầu thông thường người ta tiêu chuẩn hóa các điện áp ngắn mạch. Đồng thời qui định hai máy biến áp làm việc song song phải có un chênh lệch không quá 10%. Vì vậy khi tính toán chỉ cho phép sai lệch với un tiêu chuẩn là 5% để đề phòng khi chế tạo sai lệch 5% là vừa 4.2.1. Tính thành phần điện áp ngắn mạch tác dụng Thành phần điện áp ngắn mạch tác dụng là thành phần điện áp rơi trên điện trở cuộn cao áp và hạ áp của máy biến áp được xác định theo công thức 4-22 trang 110 tài liệu 1 unr= =1,095% trong đó: pn là tổn hao ngắn mạch của máy biến áp (W) S là dung lượng định mức của máy biến áp (kVA) 4.2.2. Thành phần điện áp ngắn mạch phản kháng unx Thành phần điện áp ngắn mạch phản kháng là thành phần điện áp ngắn mạch rơi trên điện kháng tản của dây quấn cao áp và hạ áp. Đối với máy dây quấn đồng tâm hai dây quấn có chiều cao bằng nhau theo công thức 4-23 tài liệu 1 ta có unx = trong đó : d12=D2’’+a12=250.88+18=268.4 mm, là đường kính trung bình của dây quấn, l=520,56 mm là chiều cao dây quấn =0,854 ar===37,85.10-3 m kr=1-; ===0,047-->kr=1-0,047=0,9525 là hệ số kể đến từ thông tản thực tế không hoàn toàn đi theo dọc trục. Thay số vào ta dược unx === 4,058% 4.2.3. Điện áp ngắn mạch toàn phần Sau khi đã xác định được unr, unx ta có thể tính được un theo biểu thức un= 4,203% 4.2.4. Sai lệch của điện áp ngắn mạch so với tiêu chuẩn .100= 5,08% Vây sai lệch này nằm trong lân cận 5% có thể chấp nhận được. Dây quấn thiết kế đảm bảo yêu cầu tiêu chuẩn về điện áp ngắn mạch 4.3. TÍNH LỰC CƠ HỌC CỦA DÂY QUẤN MÁY BIẾN ÁP Khi máy biến áp bị sự cố ngắn mạch thì dòng điện ngắn mạch sẽ rất lớn. Những vấn đề về nhiệt đối với máy biến áp không quan trọng lắm vì quán tính nhiệt lớn nên để đốt nóng được dây quấn nóng quá trị số cho phép thì các thiết bị bảo vệ và máy ngắt tự đông ngắt phần sự cố ra khỏi lưới điện, do đó vấn đề còn lại là lực cơ học gây nên tác dụng nguy hiểm đối với dây quấn máy biến áp. Bởi vậy để đảm bảo cho máy biến áp làm việc an toàn, khi thiết kế phải xét đến những lực cơ học tác dụng lên dây quấn khi ngắn mạch xem độ bền cơ của dây quấn có đủ hay không. Do vậy - Phải xác định trị số cực đại của dòng điện ngắn mạch. - Xác định lực cơ học giữa các dây quấn. - Tính ứng lực cơ của các đệm cách điện giữa các dây quấn và bản thân dây quấn. l B a2 a12 a1 Fr Fr 2 1 B' Hình 4-3: Từ trường dọc và ngang trong dây quấn đồng tâm 4.3.1. Tính dòng điện ngắn mạch cực đại a) Trị số hiệu dụng của dòng điện ngắn mạch xác lập Đối với máy biến áp công suất nhỏ hơn 1000(KVA), thường tính dòng điện ngắn mạch xác lập theo biểu thức sau. In= (A) Dòng điện ngắn mạch phía sơ cấp có giá trị lớn nhất khi điện áp phía sơ cấp có giá trị nhỏ nhất. Điện áp thấp nhất phía sơ cấp. U1’=U1-0,05.U1=22000-22000,0,05=20900 (V) Tương ứng với dòng điện sơ cấp cực đại I1’==13,81 (A) If1’===7,974 (A) - Dòng điện ngắn mạch xác lập phía sơ cấp In1===189,715 (A) - Dòng điện ngắn mạch xác lập phía thứ cấp In2==17169,2 (A) b) Trị số cực đại (hay xung kích) của dòng điện ngắn mạch - Dòng điện ngắn mạch cực đại sơ cấp Iko1=1,8.In1=1,8. .189,71=482,94 (A) - Dòng điện ngắn mạch cức đại thứ cấp Iko2=1,8.In2=1,8. .17,169=43705,5 (A) 4.3.2. Tính lực tác dụng lên các dây quấn - Áp lực trung bình tác dụng lên 1 cm2 bề mặt dây quấn là: theo công thức 8-8 trang 53 tài liệu 2 ta có p=6,4.()2.10-8=6,4()2.10-8=28,785 (kG/cm2) - Ứng lực kéo lên dây quấn sơ cấp: theo công thức ds1 đường kính trung bình của dây quấn sơ cấp ds1=D1’+a1=28,69+3,91=32,6 cm .28,79 =3,57 kG/mm2 - Ứng lực nén đối với dây quấn thứ cấp ds2 là đường kính trung bình của dây quấn thứ cấp ds2=D2’’-a2=25,09-2,04=23,05 cm ==3,017 (kG/mm2) Đối với dây đồng ứng lực cho phép là kcp=5-10( kG/mm2 ). Vậy qua số liệu tính toán ở trên ta thấy dây quấn của máy biến áp chịu được ứng lực kéo và ứng lực nén khi xẩy ra ngắn mạch `- Lực hướng kính tác dụng lên toàn bề mặt dây quấn là: tính theo công thức 8-7 trang 53 tài liệu 2 Fr =6,4(w1.Iko1)2, trong đó Os=.ds,ds=0,5(ds1+ds2)=0,5(32,6+23,04)=278,2 mm Fr =6,4(w1.Iko1)2 =6,4(2286. 48,94)2 =130905 (kG) Lực Fr đối với hai dây quấn là trực đối nhau, có tác dụng ép đối với dây quấn hạ áp và có tác dụng trương đối với dây quấn cao áp - Từ trường tản ngang B’ tác dụng với dòng điện sinh ra lực chiều trục Ft’ . Trị số B’ phụ thuộc vào chiều cao l và bề rộng của dây quấn, nếu dây quấn càng cao và hẹp thì từ cản B’ càng nhỏ Btb’=Btb., do đó ta có Ft’=Fr=130905=9519,02 (kG)= 95190,2 (N) Hình 4-4: Tác dụng của lực hướng kính lên dây quấn đồng tâm - Vậy ứng suất do lực chiều trục gây nên Lực này chủ yếu là lực nén Fn. Lực này chủ yếu làm hỏng những miếng đệm cách điện ở giữa các vòng dây. Do đó ứng suất do lực nén gây ra đối với dây quấn không có nêm chèn giữa các vòng dây - ứng suất nén đối với dây quấn hạ áp: theo công thức 4-40 tài liệu1 ta có =9,1104 MPa a21 là bề rộng rãnh dầu ở giữa dây quấn hạ áp - ứng suất nén đối với dây quấn cao áp =2,877 MPa Các trị số trên đều nằm trong giới hạn cho phép. Đối với dây quấn bằng đồng giới hạn cho phép nằm trong khoảng (18-20 )MPa với S Vì dây quấn cao áp và dây quấn hạ áp có chiều cao bằng nhau do đó lực chiều trục do sự phân bố của dây quấn không đồng đều không xuất hiện Ft’’=0 dây quấn hạ áp 1 dây quấn cao áp 2 Ft’ Ft’’=0 Ft’ Ft’’=0 2 l Fn=Ft’ Fn=Ft’ Ft’ Ft’’ =0 Ft’ Ft’’=0 Như vậy các yêu cầu kỹ thuật của dây quấn thiết kế qua tính toán kiểm tra ở trên đều đạt. Do đó dây quấn đã thiết kế đạt yêu cầu. CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN CUỐI CÙNG VỀ HỆ THỐNG MẠCH TỪ VÀ TÍNH TOÁN THAM SỐ KHÔNG TẢI Sau khi đã xác định kích thước và trọng lượng của dây quấn đạt yêu cầu. Ta tiến hành tính toán cuối cùng về mạch từ để xác định các kích thước cụ thể của các bậc thang trong trụ sắt, gông từ, chiều cao của trụ, trọng lượng của lõi sắt .. Sau đó tính toán dòng điện không tải, tổn hao không tải và hiệu suất của máy biến áp. 5.1 XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC CỤ THỂ CỦA LÕI SẮT Ta chọn kết cấu lõi thép ba pha ba trụ, mạch từ phẳng , trụ được ép từ các lá thép kỹ thuật điện dùng tôn cán lạnh MX4 dày 0,28 mm. Trụ ép bằng đai vải thủy tinh, không có tấm sắt đệm. Gông được ép bằng xà ép - Các lá thép trong trụ thường được xếp đối xứng đối với đường phân giác trong góc một phần tư của trụ. Hiện nay lõi thép máy biến áp chủ yếu dùng tôn cán lạnh thường được sản xuất theo tiêu chuẩn hóa. Với việc tiêu chuẩn hóa đó, trụ sắt sẽ được qui định số bậc, chiều dày các tập lá thép từng bậc, kích thước và sự bố trí các rãnh làm mát tùy theo đường kính trụ. Tra bảng 41b tài liệu 1 với d=2m ta có trụ gồm 7 bậc kích thước của tầng bậc của trụ như sau: Đường kính d Không có tấm ép Kích thước tập lá thép axb ở trong trụ nt kc 1 2 3 4 5 6 7 0,2m 7 0,918 190 22 175 26 155 15 13._.