Thiết kế máy biến áp lò hồ quang

yện thép khác không có, dùng lò điện luyện thép nhất là lò hồ quang, nhiệt độ luyện khi hồ quang cháy rất lớn, thép luyện ra có chất lượng cao, bởi khả năng khử tạp chất của nó rất lớn. Lò điện có thể dùng để luyện kim loại màu, kim loại đặc biệt. Dùng lò điện lợi về kinh tế do giá điện năng giảm nhiều nhờ sự phát triển mạnh mẽ của nghành điện lực, đáp ứng mọi nhu cầu sử dụng cho công nghiệp. Các loại lò điện trong ngành luyện kim sử dụng một loại máy biến áp đặc biệt gọi là máy biến áp lò, có hai loại máy biến áp lò là máy biến áp lò dùng cho lò điện trở và máy biến áp lò dùng cho lò hồ quang. Vì phụ tải của lò điện trở thay đổi rất ít, dòng diện cung cấp cho lò tương đối ổn định, hiện tượng ngắn mạch ít xẩy ra nên chế độ làm việc của máy biến áp lò điện trở ít nặng nề hơn lò hồ quang. Do vậy đặc điểm của máy biến áp lò điện trở giống với máy biến áp điện lực thông thường. Máy biến áp dùng cho lò hồ quang có nhiều đặc điểm khác với các loại máy biến áp điện lực thông thường. Trong quá trình làm việc của máy, do đặc điểm của dòng hồ quang là dòng điện trong chất khí, điện áp rơi trên thân hồ quang thấp, dòng điện qua lò hồ quang rất lớn, mặt khác các điện cực của lò cũng thường chạm vào kim loại trong giai đoạn nấu chảy nên hiện tượng ngắn mạch thường xuyên xẩy ra, hiện tượng ngắn mạch này gọi là ngắn mạch làm việc. Vậy trong quá trình làm việc máy biến áp lò thường xuyên phải chịu dòng điện ngắn mạch làm việc do đó chế độ làm việc của nó nặng nề hơn các loại máy biến áp khác. Các nhà máy luyện thép sử dụng nhiều loại lò hồ quang có dung tích khác nhau từ vài tấn đến vài chục tấn một mẻ nấu. Với dung tích càng tăng của lò hồ quang đòi hỏi phải có các loại máy biến áp lò có công suất lớn để phù hợp với các loại lò đó. Là một sinh viên của nghành Thiết Bị Điện - Điện Tử, sau khi hoàn thành khóa học em được giao nhiệm vụ thiết kế máy biến áp dùng cho lò hồ quang luyện thép với công suất của máy biến áp là 10.000 KVA. Để thực hiện đồ án này em đã tìm hiểu về yêu cầu của máy biến áp lò thông qua các quá trình của công nghệ luyện thép. Từ các yêu cầu này và các thông số yêu cầu của máy biến áp, việc thiết kế máy biến áp lò được tiến hành dựa trên cơ sở của việc thiết kế máy biến áp điệnlực thông thường, có chú ý đến các yêu cầu đặc biệt đối với các máy biến áp lò. Việc hoàn thành bản đồ án này là nhờ sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo, PSG.TS. Phạm Văn Bình cùng sự góp ý chỉ đạo của các thầy cô giáo trong bộ môn. Em xin chân thành cảm ơn! Mặc dù đã hết sức cố gắng để thực hiện tốt bản đồ án này nhưng do khả năng và trình độ có hạn nên bản đồ án này chắc chắn sẽ không tránh khỏi những sai sót. Em vô cùng biết ơn sự đóng góp và chỉ đạo quí báu của các thầy cô giao và các bạn đọc. Hà Nội ngày 29/05/2006 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tùng Lâm CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU VỀ MÁY BIẾN ÁP LÒ 1.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 1.1.1 Khái niệm chung Máy biến áp là một thiết bị biến đổi kiểu cảm ứng có hai hay nhiều dây quấn đứng yên hỗ cảm với nhau, dùng để biến đổi các thông số điện áp và dòng điện xoay chiều nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ. Máy biến áp hai dây quấn có thể bao gồm các máy biến áp một pha hay nhiều pha có hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp không nối với nhau về mặt điện. Năng lượng điện truyền từ dây quấn này sang dây quấn kia là nhờ sự liên hệ với nhau thông qua từ trường trong máy biến áp. Dây quấn của máy biến áp nhận điện năng từ lưới gọi là dây quấn sơ cấp. Dây quấn còn lại nhận điện năng từ dây quấn sơ cấp thông qua từ trường trong máy biến áp gọi là dây quấn thứ cấp. Dây quấn này có thể nối vào lưới điện hoặc cung cấp trực tiếp cho tải. Máy biến áp là một thiết bị được sử dụng rất rộng rãi, nhờ các máy biến áp điện năng được mà điện năng được truyền một cách hiệu quả từ nhà máy phát điện đến các hộ tiêu thụ. Để giảm tổn hao trên đường dây trong quá trình truyền tải điện năng đi xa, thì điện áp phải được thay đổi qua nhiều cấp do đó tổng dung lượng của máy biến áp trong hệ thống điện phải lớn hơn 4-6 lần so với công suất của lưới. Các máy biến áp được chế tạo theo những điều kiện kỹ thuật hay những yêu cầu của các hệ thống tiêu chuẩn, thực hiện các chức năng hoàn toàn xác định theo sự biến đổi điện năng. 1.1.2 Các đại lượng định mức Các tham số của máy biến áp bao gồm các đại lượng định mức của máy như sau: - Dung lượng định mức: Dung lượng định mức của máy biến áp được hiểu là công suất toàn phần đưa ra từ dây quấn thứ cấp tính bằng KVA hay VA. Trong máy biến áp hai dây quấn dung lượng định mức của hai dây quấn là như nhau và bằng dung lượng định mức của máy biến áp. - Điện áp định mức: Các điện áp dây của mỗi dây quấn ở các đầu dây ra ở chế độ định mức gọi là điện áp định mức của máy biến áp. - Các dòng điện định mức: Là những dòng điện dây của dây quấn sơ cấp và thứ cấp ứng với công suất và điện áp định mức, nó được tính bằng ampe (A) hay kiloampe (kA). Đại lượng này được tính theo dung lượng định mức và điện áp định mức của các dây quấn. I1đm=S1đm/U1đm. I2đm=S2đm/U2đm. - Tần số định mức:Tần số của dòng điện chạy qua MBA gọi là tần số định mức của máy biến áp, ở nước ta đối với các loại máy biến áp thông thường tần số này là 50 Hz. Ngoài ra còn có các thông số về điện áp ngắn mạch và dòng điện không tải. 1.1.3 Cấu tạo của máy biến áp Các máy biến áp thông thường có kết cấu chính gần như nhau bao gồm: lõi thép, dây quấn và vỏ máy. - Lõi thép Lõi thép dùng làm mạch dẫn từ, đồng thời làm khung để quấn dây quấn. Lõi thép có thể là kiểu trụ, kiểu bọc hoặc kiểu trụ bọc. Lõi thép của máy biến áp được chế tạo sao cho dòng xoáy và từ trễ gây ra tổn hao trong phạm vi cho phép vì vậy nó được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện có từ tính tốt, suất tổn hao thấp, điện trở suất cao và cách điện với nhau. Việc sử dụng các lá thép để ghép lại thành lõi thép làm xuất hiện khe hở không khí trong mạch từ, các khe hở không khí này làm gia tăng một cách đáng kể tổn hao không tải của máy biến áp. Để hạn chế tổn hao này người ta giảm khe hở không khí bằng cách ghép xen kẽ các lá thép. - 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 là đồng . Theo cách sắp xếp dây quấn cao áp và hạ áp người ta chia ra hai loại chính là dây quấn đồng tâm và dây quấn xen kẽ, ở các máy biến áp lò công suất lớn người ta thường thiết kế cuộn dây xen kẽ để tăng điện kháng cho máy biến áp. - Vỏ máy Vỏ máy gồm hai bộ phận là thùng và nắp thùng. Nó có tác dụng là bảo vệ ruột máy và làm thùng dầu . Ngoài ra máy biến áp còn có các chi tiết cần thiết khác như: Sứ, thiết bị bảo vệ, chuyển mạch… 1.2 GIỚI THIỆU VỀ LÒ HỒ QUANG. Lò hồ quang là loại lò điện sử dụng nhiệt lượng của hồ quang điện làm nguồn nhiệt để nấu chảy kim loại trong quá trình luyện kim. 1.2.1 PHÂN LOẠI LÒ HỒ QUANG. Trong công nghiệp luyện kim có nhiều loại lò hồ quang, tùy theo cách phân loại mà ta có các loại sau. - Lò hồ quang trực tiếp: (hình 1.1) Hồ quang xuất hiện giữa điện cực và bề mặt kim loại cần nấu chảy. Loại này được sử dụng để luyện kim loại có độ nóng chảy cao (thép…). Do điện cực nằm thẳng đứng nên người ta có thể tăng đường kính điện cực (gần như không hạn chế) để tăng công suất lò. Ngoài ra điện cực cũng che một phần bức xạ nhiệt đến thành lò và nắp lò, làm tăng tuổi thọ lò. - Lò hồ quang gián tiếp: (Hình 1.2) Hồ quang xuất hiện giữa hai điện cực, nhiệt lượng gián tiếp truyền và kim loại cần nấu chảy. Loại này được sử dụng để luyện kim loại có độ nóng chảy thấp (đồng, thiếc…) và thường chế tạo với công suất không quá 600 KW. Bức xạ hồ quang làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của lò. Trong thực tế không tồn tại lò hồ quang trực tiếp hay gián tiếp hoàn toàn. -Lò hồ quang nổi và lò hồ quang chìm: Đặc điểm lò luyện thép và lò luyện kim loại màu bằng lò điện hồ quang còn phân biệt ở loại hồ quang nổi và hồ quang chìm. Lò luyện thép là loại hồ quang nổi, điện áp thứ cấp (điện áp làm việc) của máy biến áp lò nằm trong khoảng 190 ¸ 350 vôn, khi máy làm việc hay xẩy ra ngắn mạch, để hạn chế dòng điện ngắn mạch người ta thường nối tiếp thêm một kháng điện, kháng điện ngoài nhiệm vụ hạn chế dòng điện ngắn mạch nó còn giúp ổn định dòng hồ quang (do đặc tính ngoài của máy biến áp lúc đó dốc hơn). Lò luyện kim loại màu là loại hồ quang chìm, điện áp thứ cấp của máy biến áp lò thấp hơn, nằm trong khoảng 50 ¸ 110 vôn, nếu so sánh với máy biến áp lò luyện thép cùng công suất thì dòng điện làm việc (thứ cấp) máy biến áp lò luyện kim màu lớn hơn (do điện áp nhỏ hơn). Do hồ quang cháy chìm, có lớp xỉ bề mặt nên điện trở ngắn mạch của lò hồ quang chìm lớn hơn lò hồ quang nổi vì vậy dòng điện ngắn mạch của lò hồ quang chìm nhỏ hơn so với lò hồ quang nổi, để hạn chế dòng ngắn mạch người ta thường chỉ cần thiết kế máy biến áp có điện áp ngắn mạch Un = 12 ¸ 16% và không cần nối tiếp thêm cuộn kháng bên ngoài. Các loại luyện đá mài, đất đèn… bằng lò hồ quang cũng thuộc lò hồ quang chìm. 1.2.2 CÁC GIAI ĐOẠN LUYỆN MỘT MẺ THÉP. 1.Giai đoạn nạp liệu: Đưa nguyên liệu đã làm sạch vào lò. Máy biến áp chưa làm việc. 2.Giai đoại nung nóng liệu và nấu chảy kim loại. Trong giai đoạn này lò cần công suất nhiệt lớn nhất, điện năng tiêu thụ chiếm khoảng 60 ÷80% năng lượng toàn mẻ nấu và thời gian của nó chiếm khoảng 50÷60% toàn bộ thời gian một chu trình. Để đảm bảo công suất nấu chảy, ngọn lửa hồ quang cần phải cháy ổn định. Khi cháy điện cực bị ăn mòn dần, khoảng cách giữa điện cực và kim loại tăng lên. Để duy trì hồ quang, điện cực phải được điều chỉnh gần vào kim loại. Lúc đó dễ xảy ra hiện tượng bị chạm vào bề mặt kim loại-gọi là quá điều chỉnh và gây ra ngắn mạch làm việc. Ngắn mạch làm việc tuy xảy ra trong thời gian ngắn nhưng lại hay xảy ra nên máy biến áp lò thường phải làm việc trong điều kiện nặng nề. Đây là đặc điểm nổi bật cần lưu ý khi thiết kế máy biến áp lò và chọn các thiết bị cho lò hồ quang. Ngắn mạch làm việc cũng có thể xẩy ra do sụt lở các thành của hố bao quanh đầu điện cực tạo ra trong liệu. Rồi sự nóng chảy của các mẫu liệu cũng có thể phá huỷ ngọn lửa hồ quang do tăng chiều dài ngọn lửa lúc đó phải hạ điện cực xuống cho chạm kim loại rồi nâng lên để tạo hồ quang. Trong giai đoạn này số lần ngắn mạch làm việc có thể tới 100 lần hoặc hơn. Mỗi lần xẩy ra ngắn mạch làm việc, công suất hữu ích giảm mạnh và có khi bằng 0 với mức tổn hao cực đại. Thời gian cho phép của một lần ngắn mạch làm việc là 2÷3 s. Tóm lại giai đoạn nấu chảy là giai đoạn hồ quang hồ quang cháy kém ổn định nhất, công suất nhiệt của hồ quang dao động mạnh và ngọn lửa hồ quang rất ngắn, thường từ vài milimet đến 10÷15mm. Trong giai đoạn này cần cung cấp cho lò một công suất lớn nhất. 3.Giai đoạn oxy hóa kim loại : Đây là giai đoạn khử cacbon của kim loại đến một giới hạn nhất định tuỳ theo yêu cầu công nghệ, khử P và S, khử khí trong gang rồi tinh luyện. Sự cháy hoàn toàn cacbon gây sôi mạnh kim loại. Công suất nhiệt trong giai đoạn này chủ yếu dùng để bù lại các tổn hao nhiệt và nó bằng khoảng 60% công suất nhiệt của giai đoạn 2. Hồ quang cháy ổn định, sự ngắn mạch ít xẩy ra. 4.Giai đoạn tháo xỉ: Sau oxy hóa, xỉ được tháo ra ngoài, giai đoạn này máy biến áp không làm việc. 5.Giai đoạn hoàn nguyên: Giai đoạn này hồ quang chỉ duy trì để giữ nhiệt độ khử bởi oxy, lưu huỳnh…trong thép và chuẩn bị cho thép ra lò. Công suất sử dụng vào cỡ 50% công suất cực đại. Mặt kim loại bằng phẳng ít xẩy ra ngắn mạch trong giai đoạn này. Quá trình một mẻ luyện được biểu diễn trên hình vẽ 1.3, trong đó: Trục t biểu diễn thời gian của các giai đoạn nấu luyện Trục P biểu diễn tỉ số công suất đưa vào lò và công suất cực đại ở giai đoạn 2. 1.3 ĐẶC ĐIỂM CỦA MÁY BIẾN ÁP LÒ HỒ QUANG. Máy biến áp lò là loại máy biến áp đặc biệt được dùng trong công nghiệp luyện kim. Phụ tải của máy biến áp lò là lò hồ quang hoặc lò điện trở. Lò điện trở là loại lò điện truyền thống, có công suất nấu luyện nhỏ, hiệu suất thấp, ngày nay ít được sử dụng và chủ yếu dùng cho sản xuất thủ công với công suất nhỏ. Phụ tải của lò điện trở ít thay đổi, nên máy biến áp dùng cho lò điện trở thường không có yêu cầu về thay đổi điện áp, hiện tượng ngắn mạch cũng ít xẩy ra do đó nó làm việc ít nặng nề hơn lò hồ quang. Đặc điểm của máy biến áp lò điện trở giống với máy biến áp điện lực thông thường. Máy biến áp lò hồ quang phải làm việc trong các điều kiện đặc biệt nặng nề về điện do đó nó có một số đặc điểm riêng cần lưu ý khi thiết kế để phù hợp với các chế độ làm việc của lò hồ quang. - Máy biến áp phải có điện áp ngắn mạch lớn để hạn chế dòng ngắn mạch dưới (2,5÷4)Iđm . Đối với lò luyện thép, do tổng trở ngắn mạch (điện cực - thép) nhỏ, để hạn chế dòng ngắn mạch thường phải chế tạo thêm kháng điện nối tiếp với máy biến áp khi lò ở giai đoạn nấu chảy, hết giai đoạn này kháng điện bị loại bỏ. - Máy biến áp phải có độ bền cơ đủ chịu lực điện động khi có ngắn mạch xẩy ra. - Máy biến áp phải được làm mát tốt vì đặt trong nhà, gần lò, nhiều bụi và nóng. - Máy biến áp phải có khả năng điều chỉnh điện áp trong một giới hạn rộng để thích ứng việc điều chỉnh công suất cấp cho lò hồ quang trong từng giai đoạn nấu luyện. Người ta thường điều chỉnh điện áp bằng các biện pháp sau đây: Đổi nối Y-D dây quấn sơ cấp Thay đổi số vòng dây của dây quấn sơ cấp (bằng hệ thống chuyển mạch) Dùng biến áp tự ngẫu - Máy biến áp phải được chế tạo lớn hơn máy biến áp điện lực cùng công suất để thích ứng với điều kiện thường xuyên phải làm việc quá tải. - Máy biến áp có dòng làm việc (dòng thứ cấp) rất lớn nên dây quấn thứ cấp của máy thường được phép song song từ nhiều sợi, do đó để thuận tiện cho việc đưa đầu dây thứ cấp lên mặt máy theo kinh nghiệm ta bố trí xen kẽ các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp. - Cũng do dòng điện làm việc của máy biến áp rất lớn nên nhằm mục đích giảm dòng điện chạy trong cuộn thứ cấp, cuộn thứ cấp thường được đấu hình tam giác. - Máy biến áp được chế tạo theo đơn đặt hàng theo từng loại lò, chế tạo đơn chiếc. - Giá thành máy biến áp lò cao hơn giá thành máy biến áp điện lực cùng công suất. 1.4 CÔNG SUẤT VÀ ĐIỆN ÁP LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP LÒ 1.4.1 Kim loại màu -Nếu lò được thiết kế thời gian nấu một mẻ là 24 giờ, thì năng suất một mẻ quan hệ với công suất tiêu thụ theo công thức: B(tấn/mẻ) = S - công suất máy biến áp lò (kVA); cosj = 0,75¸0,85 k1 = là hệ số sử dụng công suất, W - năng lượng tiêu hao thực. S.cosj.n năng lượng tính toán: -Hệ thống điều khiển hoàn thiện k1 =1 -Hệ thống bán tự động k1=0,9 n- số giờ một mẻ nấu (24 giờ) A- suất tiêu hao năng lượng trên một tấn sản phẩm Luyện thiếc hiện đại A=900-1100 kWh/1tấn Luyện thiếc bán tự động A=2100 kWh/1tấn -Nếu biết năng suất của lò có thể tìm ra công suất của máy biến áp theo công thức: S = -Điện áp làm việc của máy biến áp. Chọn điện áp làm việc hợp lý tạo điều kiện cho chế độ nấu luyện ổn định. Điện áp Utt tính theo công suất một pha của máy biến áp theo công thức: Utt = k.Sn Trong đó: Utt (vôn) S (kVA) - công suất một pha của máy biến áp Với lò luyện thiếc, n=0,325 k=21 Điện áp làm việc của máy biến áp không thay đổi trong khoảng: U2=(0,5¸1,15) Utt -Số nấc điện áp phụ thuộc vào công nghệ luyện kim. 1.4.2 Luyện thép Theo GOCT 7206-54 và 7207-54 quan hệ giữa dung tích lò, công suất máy biến áp, điện áp làm việc của máy biến áp và số nấc điều chỉnh được thống kê trong bảng dưới đây(Bảng 22-2 tài liệu 1). Đối với máy biến áp nhỏ dùng cho các loại lò có dung tích 0,5; 1,5; 3 tấn, do điều kiện tự động hóa còn hạn chế, máy biến áp làm việc nặng nề hơn, thường chọn công suất máy biến áp tăng từ 20%¸40% công suất tính toán. Dung tích lò Tấn/mẻ S tính toán kVA Điện áp U1 kV Điện áp U2 V Số cấp điện áp Ghi chú 0,5 1,5 3,0 5,0 10,0 20,0 40,0 80,0 400 1000 1800 2800 5000 9000 15000 25000 6-10 6-10 6-10 6-10 6-10 6-10 35 35 212-110 224-116 245-121 260-116 280-116 320-116 360-127 420-133 2-4 2-4 4-5 8 8 8 ³12 ³12 Chọn 500-600kVA 1200-1400 kVA Đối với máy biến áp lò có công suất 10.000 kVA, điện áp sơ cấp 10 kV. Theo thống kê ở bảng trên ta thiết kế phía hạ áp có 8 cấp điện áp, dải điều chỉnh điện áp 120¸320V. 1.5 TÍNH CHỌN ĐIỆN KHÁNG CHO MÁY BIẾN ÁP Độ lớn của kháng điện tùy thuộc công suất lưới điện và công suất máy biến áp. Để hạn chế dòng điện ngắn mạch làm việc của máy biến áp nhỏ hơn (2,5÷4)Iđm thì tổng điện áp ngắn mạch của máy biến áp, của kháng điện và của mạng phải nằm trong khoảng 25% đến 40%. Khi thiết kế máy biến áp người ta thấy điện áp ngắn mạch của nó nằm trong khoảng 7÷10% là thuận lợi cho việc thiết kế nhất. Vì vậy tổng điện áp ngắn mạch của kháng điện và của lưới phải bằng khoảng 30÷33%. Các loại máy biến áp công suất nhỏ sử dụng lưới điện có điện áp ngắn mạch nhỏ do vậy cần điện kháng có điện áp ngắn mạch lớn đến 20÷25%, còn các loại máy biến áp có công suất lớn đến 15.000÷20.000 kVA do điện áp ngắn mạch của lưới rất lớn nên không cần dùng điện kháng để hạn chế dòng ngắn mạch mà chỉ cần chế tạo máy biến áp có điện áp ngắn mạch khoảng 8÷10% là được. Sau đây là bảng thống kê điện áp ngắn mạch của máy biến áp,của điện kháng và của mạng điện theo công suất của máy biến áp.(Bảng 22-1 tài liệu 1) Dung lượng kVA Điện áp ngắn mạch 400 1000 1800 2800 5000 9000 15000 20000 uk%(máy biến áp) uk%(mạng) uk%(Cuộnkháng) 7~10 5 25~28 7~10 7 25 7~10 10 18 6~8 12 15 >8~10 16 10 8~10 25 5 8~10 30 - 8~10 32,5 - Với máy biến áp công suất 10.000 kVA theo thống kê ở bảng trên ta chọn máy biến áp có un = 8%, kháng điện có điện áp ngắn mạch là 5%. CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN CÁC KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU CỦA MÁY BIẾN ÁP 2.1. CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU Công suất định mức: S= 10.000 KVA Điện áp định mức : = 10000/320 V Tổ đấu dây D/D12 Tần số : f=50Hz Tổn hao không tải : Theo TCVN P0=13 kW Tổn hao ngắn mạch : Theo TCVN Pn=100kW Dòng điện không tải : io=2,0% Điện áp ngắn mạch : un=8% Kiểu máy: Ba pha ba trụ, 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 bản sau đây: Dung lượng mỗi trụ của lõi thép. Trong đó t là số trụ tác dụng t=3, S là công suất lớn nhất của máy biến áp ứng với điện áp thứ cấp U2 = 320 V. Dòng điện pha định mức. Do cả phía cao áp và hạ áp đều nối tam giác nên ta có: - Phía cao áp - Phía hạ áp Điện áp pha định mức. - Điện áp pha định mức phía cao áp - Điện áp pha định mức phía hạ áp Điện áp thử dây quấn: 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. Theo bảng 14-5 trang 105 tài liệu 1 ta có: - Điện áp thử dây quấn cao áp có điện áp làm việc 10KV Ut1=25 (KV) - Điện áp thử dây quấn hạ áp có điện áp làm việc 320V 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. 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 làm 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. Để tăng hệ số lợi dụng lõi thép và tiết kiệm dây quấn thì 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. 2.3.2. Tính toán lựa chọn phương án. Hình 2.1: Kích thước cơ bản và khoảng cách cách điện chính của máy biến áp. Trên hình 2.1: D: đường kính trụ sắt lv: chiều cao dây quấn Ds: đường kính trung bình của dây quấn Trong tính toán thiết kế máy biến áp khi xác định được các kích thước cơ bản trên thì ta xác định được các kích thước khác cũng như hình dáng của máy biến áp. Có nhiều phương pháp để tìm hình dáng tối ưu của máy biến áp, trong số đó ta sử dụng phương pháp hệ số hình dáng b của học giả Tihomirov. Trị số b dùng để chỉ quan hệ giữa đường kính trung bình của các dây quấn Ds với chiều cao của nó lv: Với máy biến áp thường trị số này biến thiên trong khoảng rộng 1,0 đến 3,6. Với máy biến áp lò b=1,6¸2 và ảnh hưởng rất lớn tới đặt tính kỹ thuật và kinh tế của máy biến áp. 2.3.2.1 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 -D là khoảng cách giữa cuộn cao áp và hạ áp. Theo bảng 10 trang 12 tài liệu 3 ta có -D1, D2 là bề dày của cuộn cao áp và hạ áp, theo công thức (20-13a) tài liệu 1 ta có thể ước tính: D1+ D2 =K. Với máy biến áp đang thiết kế chọn K=1,5. D1+ D2 =K. - Chiều rộng qui đổi từ trường tản - Hệ số qui đổi từ trường tản: kr 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 kr =0,95 -Theo (20-41d) tài liệu 1 chọn tỉ số d=Ds/D=1,4 -Theo (20-41e) tài liệu 1 chọn b=2.D2/D=0,25 2.3.2.2. Chọn vật liệu. Chọn tôn cán lạnh mã hiệu 3404 dày 0,35mm của cộng hòa liên bang Nga, mật độ từ cảm Bt=1,62T. Chọn số bậc của trụ là 9 bậc, của gông ít hơn trụ một bậc, tấc là 8 bậc, tiết diện của gông lớn hơn của trụ với hệ số kG==1,03. Do đó BG==1,57T Suất tổn hao sắt trong trụ và gông: Đối với tôn cán lạnh 3404 dày 0,35mm. Tra bảng 44-1b trang 592 tài liệu 1 ta có: pt = 1,353(W/Kg); qt=1,958(Var/Kg); pG=1,230(W/Kg); qG=1,625(Var/Kg); 2.3.2.3. Các khoảng cách cách điện chính. Dựa vào điện áp thử của cuộn cao áp và cuộn hạ áp, đối với dây quấn xen kẽ tra bảng 10 trang 12 tài liệu 3 ta có các khoảng cách cách điện chính. - Trụ và dây quấn e=25mm - Giữa dây quấn cao áp và hạ áp D=16mm - Từ dây quấn đến đến gông d=40mm - Khoảng cách giữa các dây quấn của các pha cạnh nhau c=20mm 2.3.2.4. Thiết lập công thức tính khối lượng vật liệu tác dụng. Xuất phát từ công thức tính đường kính trụ (20-40) tài liệu 1: (2-1) Ta có những nhận xét sau: - Đối với máy biến áp thiết kế thì St, 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 định sự thay đổi của đường kính D, ta đặt D=A.x A=(2-2) x= (2-3) Tìm hình dáng tối ưu của máy biến áp tức là tìm b để cho máy biến áp có chi phí vật liệu tác dụng thấp nhất mà vẫn thoả mãn được các chỉ tiêu kỷ thuật. 2.3.2.4.1. Khối lượng vật liệu tác dụng của máy biến áp. a) Khối lượng tác dụng của lõi sắt Lõi sắt gồm hai phần trụ và gông. Căn cứ vào kích thước hình học của nó, biết khối lượng riêng của sắt ta tính được khối lượng của nó. -Khối lượng trụ: Theo công thức (20-41a) tài liệu 1 ta có: Trong đó: A1=5.663.10-2.d.A3kld (kg) A2=3.605.10-2 A2.kld.d (kg) A là hệ số tính theo công thức (2-2) - Khối lượng gông : Theo công thức (20-41a) tài liệu 1 ta có: Gg= B1x3+B2x2 (kg) Trong đó: B1=2,4.10-2 kG.kld.A3(d+b+0,411): B2=2,4.10-2.kG.kld.A2(D+c) b) Khối lượng dây quấn: Theo công thức (20-41b) tài liệu 1 ta có : Trong đó Đối với máy biến áp dầu, dây quấn đồng chọn kdq=2,46.10-2 2.3.2.5. Tính các hệ số. Hệ số lợi dụng lõi thép: kld=kp.kc, với kp= Trong đó St là tiết diện hình bậc thang của trụ, Sk là tiết diện của hình tròn có bán kính Dt của trụ. Với trụ có 9 cấp, tra bảng 13.2 tài liệu 4 ta có kp=0,929. kc là hệ số ép chặt, chọn kc = 0,93 A= A1=5,66.10-2.d.A3.kld= A2=3,60.10-2A2.kld.d=(kg) B1=2,4.10-2kG.kld.A3(d+b+0,411) =(kg) B2=2,4.10-2.kG.kld.A2(D+c)=(kg) 2447,4(kg) 2.3.2.6. Tiết diện trụ: sơ bộ tính theo công thức (20-46) của tài liệu 1 812.x2 2.3.2.7. Tiết diện khe hở không khí: Đối với mối nối nghiêng ta có =1148x2 2.3.2.8. Tổn hao không tải: xác định theo công thức (20-45) tài liệu 1 Với kp là hệ số tổn hao phụ, tra bảng (20-1a) tài liệu 1 ta được kp = 1,25. Thay số vào ta được 2.3.2.9. Công suất từ hóa: theo công thức (2-63) trang 49 tài liệu 2 ta có Q0 = k”f(Qc+Qf+Qk) kf” là hệ số kể đến sự phục hồi từ tính không hoàn toàn sau khi ủ lại lá tôn cũng như sự uốn nắn và ép lõi thép, tra bảng 4-1a tài liệu 1, với Bt= 1,62T ta được k”f = 2,18 Qc là công suất tổn hao chung của trụ và gông. Qc= qt.G’t+qg.Gg=1,958G’t+1,625Gg Qf là công suất từ hóa phụ đối góc có mối nối thẳng. Qf=40qtG0 Với G0 là khối lượng của một góc mạch từ. G0=0,492.10-2.kG.kld.A3.x3=0492.10-2.0,864.1,03.34,63.x3=181.x3 Qf=40.1,958.181.x3=14176.x3 Qk là công suất từ hóa ở những khe hở nối giữa các lá thép. Qk=3,2.qk.Sk qk là suất từ hóa khe hở ứng với Bt, tra bảng 5.13 của tài liệu 4 ta được qk=2,51(VA/cm2), Qk=3,2.2,51.1148x2=9220x2 Thay số vào ta được: Q0=2,18(1,958G’t+1,625Gg+14176.x3+9220x2) Q0=4,27G’t+3,54Gg+30903,7x3+20099,6x2 2.3.2.10. 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 =% Các số liệu tính toán được ghi trong bảng sau. b 1,2 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 1,047 1,125 1,158 1,189 1,218 1,245 1,095 1,265 1,342 1,414 1,483 1,549 1,147 1,423 1,554 1,682 1,806 1,928 2709,51 2521,48 2448,32 2384,67 2328,52 2278,41 A2x2=149x2 163,22 188,47 199,90 210,71 221,00 230,83 G’t=(A1/x)+A2x2 2872,73 2709,95 2648,22 2595,39 2549,52 2509,24 B1x3 2090,47 2593,86 2833,43 3066,41 3293,63 3515,73 B2x2 100,78 116,37 123,43 130,10 136,45 142,52 Gg=B1x3+B2x2 2191,252 2710,241 2956,861 3196,521 3430,091 3658,264 Gt=G’t+Gg 5063,98 5420,19 5605,08 5791,91 5979,60 6167,51 kP.pt.G’t 4854,92 4579,82 4475,40 4386,21 4308,73 4240,60 kp.qg.Gg 3374,52 4173,77 4553,56 4922,64 5282,33 5633,77 P0 8229,44 8753,59 9029,06 9308,85 9591,03 9874,35 k”f.qt.G’t 12266,56 11571,51 11307,91 11082,31 10886,47 10714,49 k”f.qg.Gg 7757,03 9594,25 10467,28 11315,68 12142,52 12950,25 30903,7x3 35432,06 43964,33 48024,72 51973,62 55824,84 59589,38 20099,6x2 22018,00 25424,20 26966,44 28425,12 29812,52 31138,16 Q0 77473,66 90554,30 96766,37 102796,7 108666,3 114392,2 i0x%=Q0/10S 0,775 0,906 0,968 1,028 1,087 1,144 Gdd 2370,221 2052,671 1935,277 1835,965 1750,524 1675,999 kFeGdd=2,6.Gdd 6162,574 5336,945 5031,720 4773,509 4551,362 4357,598 C’td 11226,55 10757,14 10636,80 10565,42 10675,97 10780,11 Dựa vào kết quả của bảng trên ta thấy: Với các giá trị của b đã chọn thì P0 và i0% đều thoã mãn yêu cầu thiết kế:P0<13.000W; io%<2%. Nhưng để chi phí vật liệu tác dụng nhỏ nhất thì ta chọn b nằm trong khoảng từ 1,8÷2,2. Để thấy rõ hơn điều này ta vẽ các quan hệ P0=f(b), i0%=f(b),C’td=f(b) trên các hình 2.2 và 2.3. Để thuận lợi cho việc tiêu chuẩn hoá các lá thép, theo kinh nghiệm khi thiết kế máy biến áp lò người ta thường chọn b=1,8. Theo hình 2.3 chi phí vật liệu tác dụng nhỏ nhất khi b»2,0, nhưng với b nằm trong khoảng 1,8÷2,2 thì chi phí vật liệu tác dụng cũng thay đổi không đáng kể. Vậy ta có thể chọn b=1,8 để phù hợp với kinh nghiệm thiết kế máy biến lò. Từ đó ta có các kích thước cơ bản của máy biến áp: Đường kính trụ lõi thép D==45,05 cm Chọn D= 45 cm Tiết diện sơ bộ của trụ St=kld.=0,864.=0,1450 m2 Đường kính trung bình của dây quấn Ds=d.D=1,4.45=63 cm Chiều cao sơ bộ của dây quấn LV= Lấy Lv= 110 cm CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN DÂY QUẤN MÁY BIẾN ÁP LÒ 3.1.CÁC YÊU CẦU CHUNG ĐỐI VỚI DÂY QUẤN Yêu cầu chung về dây quấn có thể chia thành hai loại yêu cầu đó là 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, mặt cơ và nhiệt. a) Về mặt điện Khi vận hành dây quấn máy biến áp phải chịu được điện áp và dòng điện định mức. Cách điện của máy biến áp phải đủ tốt để không bị đánh thủng do hiện tượng quá điện áp của lưới điện. Dây quấn cũng phải chịu được dòng điện ngắn mạch thường xuyên xẩy ra. 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. 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. Đối với máy biến áp lò có công suất lớn, để thuận lợi cho việc lấy đầu dây ra người ta thường bố trí xen kẽ cuộn dây sơ cấp và thứ cấp, cuộn dây xen kẽ còn có một số đặc điểm phù hợp với máy biến áp lò như: tản nhiệt tốt, điện kháng tản lớn, lực hướng tâm trong trường hợp ngắn mạch nhỏ do vậy đối với máy biến áp đang thiết kế ta chọn kiể._.