Thiết kế máy biến áp một pha

Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 1 CHƯƠNG 1: TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ CƠ BẢN. 2.1 Tính dòng điện cao áp và hạ áp của máy biến áp một pha. + Phía cao áp : ).(273,2 10.22 10.5010.10. 3 3 2 33 2 AU S U SI CA ==== + Phía hạ áp : ).(27,227 220 10.5010.10. 3 1 33 1 AU S U SI HA ==== Trong đó: S : công suất biểu kiến của máy biến áp một pha (kVA). U2 : điện áp định mức của máy biến áp một pha phía cao áp (kV). U1 : điện áp định mức của máy biến áp một pha phía hạ áp (kV). 2.2 Điện áp thử nghiệm của dây quấn theo TCVN . + dây quấn cao áp với UCA = 22 kV thì Ut = 50 kV. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 2 + dây quấn hạ áp với UHA = 0,22 kV thì Ut = 5 kV. Các kích thước chủ yêú : C C d d a l aa H×nh 2.1 C¸c kÝch th−íc chñ yÕu cña m¸y biÕn ¸p mét pha hai d©y quÊn. a 0101 l0 2121 12 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 3 Trong đó: + C: Chiều rộng cửa sổ mạc từ. + d: Đường kính trụ sắt. +l: Chiều cao dây quấn , hai dây quấn cao áp và hạ áp thường có chiều dài bằng nhau. +d12: Đường kính trung bình của hai dây quấn . + a01: Khoảng cách từ trụ đến cuộn hạ áp . + a12: Khoảng cách điện giữa cao áp và hạ áp . + a2: Bề dầy cuộn cao áp . Chiều rộng quy đổi của rãnh từ trường tản giữa cao áp và hạ áp , với Uth2 = 50 kV, theo bảng 19 sách thiết kế máy biến áp − Phan Tử Thụ, ta chọn: a12 = 20 mm. δ12 = 5 mm : chiều dày ống cách điện giữa hạ áp với trụ sắt. 3. Tính chiều rộng quy đổi từ trường tản. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 4 3 21 12 aaaar ++= Trong đó: ar: Là chiều rộng quy đổi từ trương tản(mm). a1,a2: Là bề dầy cuộn hạ áp và cao áp . ).mm( 4,1410.50.54.010.S.k 3 aa 242421 ===+ −− k: là hệ số tra bảng 12 sách thiết kế máy biến áp của Phan tử Thụ, k = 0,64÷ 0,51, ta chọn k =0,54. 4.Hệ số quy đổi từ trường tản lấy sơ bộ: kr = 0,95. 5. Các thành phần điện áp ngắn mạch: TCVN + Điện áp ngắn mạch: Un% = 5%. + Thành phần tổn hao không tải: P0= 270W. +Thành phần tổn hao ngắn mạch: Pn = 850 W. +Thành phần điện áp ngắn mạch tác dụng : %7,1 50.10 850 .10 === dm n nr s PU Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 5 + Thành phần điện áp ngắn mạch phản tác dụng : %71,47,15 2222 =−=+= rnnx UUU . 6. Các thông số mạch từ máy biến áp một pha. + Mạch từ máy biến áp một pha thiết kế dạng chữ E với dây quấn kiểu trụ quấn giữa trụ, mạch từ có mối ghép chéo ở góc , ghép thẳng với trụ giữa. Trụ dùng băng đai, gông dùng sắt ép lại, lõi thép dùng thép cán nguội đẳng huớng 3406 dày 0,35 mm. + Chọn mật độ từ thông sơ bộ: BT = 1,62 T. + Theo bảng 13.2 sách thiết kế máy kế máy điện – Trần khánh Hà+ Phan Tử Thụ với S = 50 kVA chọn sơ bộ số bậc của trụ là 6. + Hệ số điền đầy: 92,0== K T P S SK . + Hệ số ép chặt KC = 0,93÷ 0,94, sơ bộ chọn KC =0,93. + Hệ số lợi dụng lõi sắt: 866,092,0.93,0. === PCld KKK . + Số bậc của gông trên và dưới thường ít hơn số bậc của trụ một bậc nhằm mục đích đảm bảo lực ép phân bố đều hơn trên các lá thép ép gông. + Hệ số ép gông: tỷ lệ giữa tiết diện gông và tiết diện trụ. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 6 T g g S S K = , theo bảng 6 sách thiết kế máy biến áp của Phan Tử Thụ ta chọn Kg = 1,02. + Mật độ từ thông trong gông: - Từ cảm trong gông: Bg = 1,62/1,02 = 1,585 T. - Từ cảm ở khe hở không khí với mối nối thẳng: Bk = BT = 1,62 T. - Từ cảm ở khe hở không khí với mối nối xiên: BK’’ = 1,62/ 2 = 1,46. 7. Các thông số tổn hao của mã hiệu thép. Theo bảng 44-4 đặc tính mã hiệu thép 3404, dày 0,35 mm sách thiết kế máy biến áp ta có + Tổn hao trong thép: PFeT = 1,358w/kg; PFeG = 1,251w/kg. + Tổn hao trong trụ: QT = 1,956 VA/ kg; trong gông QG = 1,575VA/ kg, trong khe hở vuông góc qK’’ = 0,61VA/ cm2, khe hở chéo qK’’= 0,0956VA/ cm2. 8. các thông số khác. + Theo bảng 13.7 sách thiết kế máy điện – Nguyễn Hồng Thanh, hệ số tổn hao phụ chọn Kf =0,91 khi ngắn mạch và bảng 13.5 cho hằng số đối với dây đồng là: a = 1,3; b = 0,4. Trong đó: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 7 a = d12/d: tỷ số giữa tri số trung bình giữa hai dây quấn và đường kính trụ sắt d. b = 2. a2/ d: tỷ số giữa bề dày cao áp và đường kính trụ sắt. + Hệ số hình dáng máy biến áp β. 8,32,1. 12 ÷== l dπβ . Tính toán các tham số cơ bản. 1. Đường kính trụ sắt. d = A.x. 4 22 ... .. .507,0 ldtnx r KBUf KraSA = Trong đó: S = 50 kVA: công suất định mức máy biến áp một pha. ar: chiều rộng quy đổi từ trường tản. Kr = 0.95 : hệ số quy đổi từ trường tản. f = 50 hZ: Tần số dòng điện; Unx = 4.7% - thành phần điện áp ngắn mạch phản kháng. Bt = 1.62T : mật độ từ cảm trong trụ. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 8 Kld = 0,86: hệ số lợi dụng lõi sắt. 2.Trọng lượng trụ sắt. 2 2 1 T x.Ax A G += . Trong đó: d = A.x; d12= a.d = A.d.x; β = x4. A1 =1,89.104.a.A3.Kld =1,89.104.1,3.0,12113.0,86 = 40 (kg). A2 =1,2.104.a.A2.Kld.l0 =1,89.104.1,3.0,12112.0,86.20.10-3 = 4,41 (kg). 1211,0 86.062,1.44,4.50 0344,0.50 .507.0 K.B.U.f Kr.a.S .507,0A 2 4 2 ld 2 tnx r === . 3.Trọng lượng sắt gông. + Gông máy biến áp một pha có thể tính như sau: Một bộ phận trong phạm vi hai trụ của hai gông biên, có tiết diện Sg với chiều dài 2.C và trọng lượng của bộ phận này ở gông trên và dưới là Gg’; Một bộ phận gồm hai nửa góc mạch từ ở phía ngoài của hai gông biên với trọng lượng của gông trên và gông dưới là Gg’’; Một bộ phận gồm hai trụ biên có trọng lượng bằng trọng lượng của trụ giữa: T ' g '' gG GGGG ++= . Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 9 CC G''g/4 G'g/2 e.d a) b) H×nh 2.2.a) Quy ®æi nöa tiÕt diÖn trô bËc thang vÒ h×nh ch÷ nhËt; b) C¸c phÇn cña g«ng. + Trọng lượng của trụ sắt ở bộ phận thứ nhất là: Feg ' g .c.2.S2G γ= . Trong đó: C = 0,5.d12+0.25d+0,5a12+ a2+a22: chiều rộng cửa sổ mạch từ. d12: đường kính trung bình của hai dây quấn hạ áp và cao áp. a12: khoảng cách giữa cuộn hạ áp và cao áp . a2: bề rộng cuộn cao áp . a22: khoảng cách cuộn cao áp đến gông. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 10 + Trọng lượng sắt gông ở bộ phận thứ hai: FegFeg '' g .x.A.e.S4.d.e.S4G γ=γ= . e: hệ số quy đổi nửa tiết diện gông biên về hình chữ nhật tương đương e.d. Chọn e = 0,45. + Công thức tính trọng lượng gông: GG = B1.x3+B2.x2+GT. B1=1,2.104.Kg.Kld.A3.(a+b+e) =1,2.104.1,03.0,86.0,12113.(1,3+0,4+0,405) = 42,459(kg). B2 = 1,2.104.Kg.Kld.A2.(a12+2.a22) = 1,2.104.1,03.0,86.0,12112.(0,002+0,03) = 5,45(kg). 4. Tổn hao không tải. )G.pG.p(kfP GGTT ' f0 += . Trong đó: pT, pG: suất tổn hao trong trụ và gông của máy biến áp . ' fk - hệ số tổn hao phụ trong lõi sắt, với tôn cán nguội lấy ' fk = 1,25. GTGT0 G.563,1G.7,1)G.251,1G.348,1(125,1P +=+= . 5. Công suất phản kháng. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 11 )QQQ(kfQ KfC '' f0 ++= . Trong đó: + ''fkf : hệ số kể đến sự phục hồi không hoàn toàn khi ủ lại lá tôn cũng như sự uốn nắn và ép lõi sắt, có thể lấy ''fkf = 1,25. + CQ : suất tổn hao chung của trụ và gông. GTGGTTC G.575,1G.956,1G.qG.qQ +=+= . + fQ : công suất từ hoá phụ đối với mối nối thẳng. ggtf G.24,78G.q.40Q == +Qk : công suất từ hoá ở những khe hở không khí nối giữa các lá thép. 2 kktk x.478,35S.q.2,3Q == .0103.x2. Vậy : Q0 = 2,445.GT+1,563.GG+97,8.Gg+136,5.x2. SK = St = 0,875.Kld.A2.x2= 0,785.0,86.0,12112= 0, 6. Trọng lượng kim loai hai dây quấn . 2 1 dq x C G = . Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 12 )kg(2,45 1211,0.7,1.62,1.86,0.91,0 3,1.50 .10.46,2 A.U.B.K.k a.S .KC 22 2 2 2 nrT 2 ldμ 2 dq1 = == − . Kdq =2,46.10-2. 7. Giá thành vật liệu tác dụng: CuFeCuCuFeFe ' td G.81,1GG.KGC +=+= . 8.Thành phần phản kháng dòng điện không tải. S.10 Q i 0ox = 9. Theo lực điện động tác dụng lên dây quấn: +Lực điện động tác dụng lên dây quấn được tính như sau: ( ) ).N(10.K..W.i.628,0F 6RmaxK −β= Trong đó: imax = Kn .I; Kn = 1,41. 2,34)e1.( u 100 nx nr u u n =+ π− . Ứng suất kéo tác dụng lên dây dẫn. 795,1 A.a P .k.k.k.10.66,.0M nrf 2 n 6 Cu == − . Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 13 3 r x.795,1=σ Sau khi tính toán các đại lượng tham số cơ bản theo hệ số hình dáng β =1,2÷ 3,0 ở trang 38 ta xây dựng đường đăc tính chi phí vật liệu tác dụng và trọng lượng sắt, đồng. 240 180 150 120 90 60 30 0 1,2 1,4 1,6 2,5 3,0 GFe GG GT GCu β 0 1,2β 1,4 2,51,6 3,0 C'td (%) 100 C¸c quan hÖ a) träng l−îng lâi s¾t, d©y quÊn; b) Gi ¸thμnh vËt liÖu t¸c dông Lập bảng tính các đại lượng với β = 1,2÷3,0 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 14 β 1,2 1,4 1,6 2,5 3,0 x= 4 β 1,0466 1,878 1,1247 1,2754 1,3161 x2= 4 2β 1,0954 1,1832 1,2649 1,5811 1,7321 x3 = 4 3β 1,465 1,2871 1,4226 1,9882 2,2795 x 40 x A1 = 38,2177 36,7729 35,5656 31,8108 30,3934 A2.x2 = 4,41.x2 4,8309 5,2180 5,5783 0,9728 7,6383 GT = A1/x+ A2.x2 43,0486 41,9909 41,1438 38,7837 38,0318 B1.x3= 42,5.x3 48,7276 54,6997 60,4615 84,4975 96,8790 B2.x2=5,45.x2 5,9702 6,4485 6,8938 8,6172 9,4397 GG = B1.x3+ B2.x2+GT 98,127 103,1391 108,4991 131,8984 144,3505 GFe = GT+ GG 183,8456 187,1209 190,7868 209,4657 220,4140 Gg = 8,168.x3 10,1279 12,2052 13,5405 18,9235 21,6963 P0 = 1,7.GT+1,563.GG 225,9603 232,5910 239,5268 272,0894 290,2738 Q0 = 2,245.GG+1,969.GT 1648 1814,8 1975,8 2648,7 2995 i0x= Q0/10.50 3,2965 3,6297 3,9517 5,2975 5,991 Gdq = C1/x2 41,2618 38,2010 35,7337 28,5870 26,0962 GCu = 1,06.Gdq 43,4945 40,4930 37,275 30,3022 27,6620 CuFe ' td G.81,1GC += 263,085 260,4133 259,3456 264,3127 270,4823 J = dq nf G.K P.k 2,794.106 3.106 3,093.106 3,3577106 3,51106 3 CF x.795,1σ 2,2928 2,5739 2,845 3,9760 4,5586 d = A.x 0,1266 0,1316 0,1361 0,1521 0,1592 d12 = a.d 0,1646 0,1791 0,1811 0,1978 0,2027 βπ= 12d.l 0,4308 0,3838 0,3472 0,2454 0,2167 2.a2 ≈ b.d ≈ 0,4.d 0,0633 0,0658 0,0680 0,0761 0,0796 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 15 Từ bảng lập trên ta thấy được rằng, giá thành chi phí vật liệu tác dụng thấp nhất trong khoảng 8,16,1 ≤β≤ , trong khoảng đó tất cả các tham số đều đạ yêu cầu. Ta chọn với hệ số hình dáng β =1,6. 1.Đường kính trụ sắt: d = 0,1361(m)≈140mm. 2.đường kính trung bình giữa cao áp và hạ áp: d12 = 0,1769(m)≈180mm. 3.Chiều dày cuộn hạ áp: l = 0,3472(m). 4.Tiết diện lõi sắt :ST = 0,0125 (m2). 5.Chiều dài trụ lõi sắt: lT = l +2.l0 = 0,3971 (m). 6.Khoảng cách giữa các trụ lõi sắt: C = 0,2182 (m)≈220mm. 7.điện áp một vòng dây: UV = 4,44.f.BT.ST = 4,9664(V). 8.Trọng lượng trụ sắt: GFe= 190,768 (kg). 9.Trọng lượng đồng: GCu = 37,7337 (kg). 10.Mật độ dòng điện : J = 3,093.106A/ mm2. 11.ứng suất dây quấn: σ =2,845 MPa. 12.Tổn hao không tải:P0 = 239,5286(W). 13.Dòng điện không tải phản kháng: i0x = 3,951 (A). C= 0,75.d12+0,5.a12+a2+a22 0,2189 0,2183 0,2238 0,2586 0,2461 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 16 CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN DÂY QUẤN MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA. 3.1. Các kiểu dây quấn máy biến áp một pha. Theo cách quấn dây ta có ta có thể chia dây quấn máy biến áp ra làm các kiểuchính sau: + Dây quấn hình ống dây quấn chữ nhật. + Dây quấn hình ống dây dẫn tròn. + Dây quấn hình xoắn. + Dây quấn xoắn ốc liên tục. 3.1.1. Dây quấn hình ống dây quấn chữ nhật. +Loại dây này dùng dây tiết diện hình chữ nhật quấn thành hình trụ. Nếu dòng điện lớn quá thì ghép thành nhiều sợi song song. Lúc đó tốt nhất là dùng các sợi cùng kích thước ghép kề nhau theo hướng trục, không nên ghép kề theo hướng kính để cho từ thông tản trong các sợi dây giống nhau và như vậy tổn hao về dòng điện xoáy trong chúng sẽ giống nhau và về mặt cơ khí ghép hướng trục cũng tốt hơn. + Các phương pháp quấn dây: Quấn nẹp sợi dây, quấn dựng sợi dây.Nói chung dây quấn loại này nên quấn nẹp (theo cạnh lớn) sợi dây, không nên Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 17 quấn gân dựng (theo cạnh nhỏ) sợi dây vĩe khó quấn hơn mà dây quấn dễ nghiêng đi; tổn hao phụ do dòng điện xoáy tăng lên, tản nhiệt lại kém. b a b a) QuÊn nÑp sîi d©y(hay dïng) b) QuÊn g©n dùng sîi d©y(kiÓu nμy khã quÊn d©y h¬n n÷a dÔ nghiªng ®i) Hình 3.1.a,b; + Nếu quấn dây một lớp ta có kiểu quấn dây quấn hình ống một lớp hay gọi là ống đơn (hình 3.2.a) ; nếu quấn dây hai lớp ta có kiểu dây quấn ống kép (hình 3.2.b). Kiểu hình ống kép thì hai lớp nối tiếp nhau(quấn lớp trong từ trên xuống dưới, sau đó lớp ngoài quấn ngược từ dưới lên). Như vậy đầu dây phân lớp trong và đuôi dây phân lớp ngoài có điện áp bằng điện áp pha. + Nếu Uđm ≤ 1000 V cách điện rất đơn giản, hoặc dùng một rãnh dầu 4÷8 mm hoặc dùng một ống giấy cách điện là đủ. +Kiểu dây quấn hình ống có nhược điểm là hai đầu không có gì giữ chặt nên dễ bị tung ra do đó chỉ dùng cho máy biến áp cỡ nhỏ.Dây quấn hình Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 18 ống kép ơn định về mặt cơ khí hơn và nói chung dễ chế tạo cũng đơn giản nên dùng phổ biến trong các máy biến áp có công suất 630 kVA trở xuống và điện áp dưới 6 KV. 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 5 6 7 8 4 8 4 7 6 5 3 2 1 7 6 5 4 3 2 1 14 13 12 11 10 9 8 14 13 12 11 10 9 8 a)D©y quÊn èng ®¬n b)D©y quÊn h×nh èng d©y quÊn èng kÐp Hình 3.1.2 a,b. + Trong các máy biến áp dây quấn hình ống đơn và kép chủ yếu dùng làm dây quấn hạ áp. 3.1.2. Dây quấn hình ống nhiều lớp. + Dây quấn hình ống nhiều lớp dây dẫn tròn (lớn hơn2) đồng tâm (hình 3.2). Vì số vòng dây một lớp nhiều nên điện áp giữa các lớp lớn do đó cách điện không đảm bảo, cần phải tăng cường cách điện giữa các lớp. Thường dùng vài Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 19 lớp giấy cáp là đủ với điện áp 10 KV dùng 3 lớp dày 3.0,12. Dây quấn hình ống nhiều lớp dây dẫn tròn với điện áp đến 35 KV cần có cách điện tốt hơn; Để đề phòng phóng điện bề mặt, chiều cao cách điện giữa các lớp phải cao hơn chiều dài dây quấn từ 20÷25 mm( cả hai phía) và phải quấn thêm gờ bằng bìa cách điện. + Quấn số lớp nhiều quáthì việc tản nhiệt khó khăn do đó cần phải có rãnh dầu dọc ở giữa. Khi làm dây quấn hạ áp ở trong,rãnh dầu có thể ở giữa dây quấn, còn khi làm cao áp ở ngoài rãnh dầu thường bố trí vào quãng 1/2 ÷ 2/ 5 chiều dầy cuộn dây tính từ trong ra ngoài. +Dây quấn có thể sợi hay hai sợi chập lại, ít khi dùng đến 4 sợi. Khi dùng nhiều sợi cũng không cần hoán vị vì vị trí của nó phân bố đã đều đặn. + Dây quấn loại này chủ yếu được áp dụng cho máy biến áp công suất dưới 630 KVA thường cho cấp điện áp đến 30 KV. + Ngoài ra còn có một kiểu gần giống kiểu ống nhiều lớp dây dẫn tròn nữa gọi là dây dẫn hình ống nhiều lớp phân đoạn, ở đây cũng cũng làm dây dẫn tròn. Việc phân đoạn thành nhiều bánh dây như vậy sẽ giảm điện áp giữa các lớp cạnh nhau trong từng bánh dây, nhờ đó có thể cải thiện được vấn đề cách điện giữa các lớp. Mặt khác việc làm nguội cuộn dây cũng dễ dàng hơn. Nhược điểm của dây quấn này là việc quấn dây phức tạp hơn. + Kiểu dây quấn này có số vòng dây ít, tiết diện lớn nên dùng làm dây quấn hạ áp. Ưu điểm của nó là chịu được lực cơ học tốt, tản nhiệt tốt. Nhưng nhược điểm của nó là chiều dài của các sợi dây ghép không bằng nhau nên điện trở khác nhau, từ thông tản không đều (càng xa trụ sắt từ thông tản càng Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 20 nhỏ) nên điện kháng tản cũng khác nhau. Mặt khác dòng điện không đều làm tăng tổn hao phụ. Vì vậy các sợi dây chập quấn quanh trụ cần được hoán vị. 3.2.a) D©y dÉn h×nh èng mét líp d©y dÉn trßn TÊm lãt c¸ch ®iÖn b»ng giÊy c¸p Vμnh ®Öm b×a c¸ch ®iÖn quÊn b»ng b¨ng v¶i C¸ch ®iÖn líp 3.2 b)C¸ch ®iÖn phÇn ®Çu cña d©y quÊn h×nh èng nhiÒu líp. 3.1.3. Dây quấn hình xoắn. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 21 + Đối với dây quấn hình xoắn mạch đơn theo chiều dài dây quấn người ta thường hoán vị ba chỗ gồm: Hai hoán vị phân tổ ở khoảng 4 1 và 4 3 chiều cao cuộn dây và một hoán vị toàn bộ ở giữa cuộn dây. H×nh 3.3.D©y quÊn h×nh xo¾n a) m¹ch ®¬n b) m¹ch kÐp. 3.1.4.Dây quấn xoắn ốc liên tục. + Ở đây ta dùng dây dẫn tiết diện chữ nhật quấn liên tục thành nhiều bánh theo đường xoáy ốc phẳng. Như vậy chiều cao bánh dây vừa bằng chiều cao sợi dây. Giữa tất cả các bánh dây hay vài bánh dây một có rãnh dầu ngang (hình 3.4) suốt cuộn dây không có mối hàn nào để nối giữa các bánh dây nên được gọi là dây quấn liên tục. Có thể dùng một hay nhiều sợi dây chập lại để quấn nhưng không nên quá 4. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 22 + Dây quấn liên tục có ưu điểm là chịu lực cơ học tốt, làm nguội tốt và không có mối hàn. Nhưng nhược điểm là quá trình quấn phức tạp, vì khi quấn một bánh từ trong ra ngoài như thường lệ, thì bánh tiếp theo phải quấn từ ngoài vào trong. Muốn quấn được bánh này trước hết phải quấn tạm từ trong ra ngoài như bánh trước đó đã, sau đó khi đầy bánh phải giữ lấy đầu cuối và đầu đầu của nó rồi dùng tay nếp lại để cho những vòng trong ra ngoài và vòng ngoài vào trong. Như vậy ta được đôi bánh thứ nhất. Cứ thế iếp tục sang những đôi bánh khác. 3.4. D©y quÊn xo¸y èc liªn tôc. b h + Yêu cầu đối với loại dây quấn này là: - Các đầu ra của dây quấn phải ở phía ngoài cùng bánh dây, để cách điện đỡ phiền phức. Như vậy số bánh phải là số chẵn. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 23 - Khi chập nhiều sợi phải hoán vị giữa các sợi dây. Nhưng việc hoán vị ở đây có thể tiến hành giữa hai bánh dây cạnh nhau và không làm thay đổi chiều cao của dây quấn. + Dây quấn xoáy ốc liên tục được dùng chủ yếu làm cuộn cao áp và thường được sử dụng trong dải công suất rộng các máy biến áp từ 160÷ 100000 kVA và điện áp từ 2 đến 500 KV. 3.2. Cách điện trong máy biến áp. 3.2.1 Vật liệu cách điện dùng trong máy biến áp. a) Giấy cáp: Thường có các loại giấy cáp dày 0,08; 0,12; 0,17 mm. Trong các máy biến áp thương dùng loại giấy loại 0,12 mm để bọc quanh các sợi dây đồng; ngoài ra giấy cáp còn dùng làm cách điện giữa các lớp dây quấn hay cắt thành băng nhỏ để cách điện cho dây dẫn ra và tăng cường cách điện cho các vòng dây đầu cuộn cao áp từ 6, 10 đến500 KV. Giấy cáp là một trong những cách điện chính trong máy biến áp. Mã hiệu giấy cáp Nga là k-08; k- 12; k-17. b) Giấy điện thoại: Mỏng hơn giấy cáp (thương dày 0,05± 5% mm) thường dùng làm cách điện giữa các lớp, cách điện cho các dây dẫn ra của một số dây dẫn tròn. Mã hiệu giấy Nga là KT- 50. c) Vải sơn: Máy biến áp dầu thường dùng loại vải hay lụa đã qua 3 lần tẩm dầu sơn có chiều dầy 0,17; 0,20;0,24 mm. d) Băng vải: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 24 Có hai loại: Loại sợi chéo dày 0,54 ±0,02 mm và loại sợi thẳng dầy 0,28 ±0,02 mm, rộng từ 1,5 ÷5 cm. Trong máy biến áp dùng băng vải này để giữ chặt các vòng dây của dây quấn, hay bọc chặt cách điện của dây quấn không nhằm để cách điện. đ) Bìa cách điện: Bìa cách điện được chế tạo thành từng tấm có chiều dầy 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 2,5; 3,0 mm hay cũng có loại chế tạo thành từng cuộn rộng tới 1000 mm, dầy 0,5 mm. Thường dùng làm tấm đệm giữa các bánh dây, giá đỡ cách điện, bức vách tấm chắn, vòng đệm hay ống cách điện giữa các dây quấn. e) Thành phẩm ống bakêlit: Thường làm ống cách điện, bề đây cả hai phía2;4;6;8 mm và hơn nữa làm cách điện giữa các dây dẫn ra. Các loại ống lớn dùng để cách điện giữa các dây quấn hay giữa dây quấn với trụ sắt. g) Gỗ: Thường dùng là gỗ dẻ trắng làm que nêm để lồng dây quấn và cách điện hình trụ hay làm que nêm giữa các lớp dây quấn nếu U≤10 KV, cũng có thể dùng làm que nêm lõi sắt và dây quấn hạ áp. Gỗ dẻ đỏ dùng làm kẹp dây dẫn ra, làm dầm ép gông. h) Sứ: Dùng trong máy biến áp dầu để xuyên dây dẫn vào. i) Dầu máy biến áp: Dùng làm cách điện và làm nguội máy biến áp. 3.2.2. Các kết cấu cách điện và kghoảng cách cách điện. 3.2.2.1 Cách điện chính. + Là cách điện giữa các dây quấn với các bộ phận nối đất. Cách điện phải đảm bảo chịu được những quá điện áp ngắn hạn (có lúc tới 4 lần điện áp Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 25 định mức) do những thao tác thông thường trong lưới (như đóng cắt tải lớn...) hay sự cố (ngắn mạch, đứt dây...). + Cách điện giữa hạ áp và cao áp, giữa dây quấn với trụ thường dung dạng ống cứng làm từ giấy bakêlit. Cách điện giữa dây quấn và gông trên, gông dưới thường dùng các vòng đêm.Với điện áp cuộn cao áp ≤ 35 KV thì kết cấu cách điện và các tấm đệm có dạng đơn giản. HA 1 HA 2 a1 a2a01 l02l01 l®2 H×nh 3.2.1. Kho¶ng c¸ch c¸ch ®iÖn chÝnh cña d©y quÊn CA víi ®iÖn ¸p thö 5 ®Õn 85 KV; ®−êng ®øt nÐt chØ kho¶ng phãng ®iÖn cã thÓ, ®−êng ®ã quyÕt ®Ýnh kÝch th−íc ld. 3.2.2 Cách điện dọc. + Cách điện dọc là cách điện giữa các vòng dây , giữa các lớp dây và giữa các bánh dây. Cách điện dọc phải đảm bảo cho dây dẫn phải chịu được những quá điện áp thiên nhiên, thường do sóng điện áp xung kích của sét truyền ngoài đường dây tới máy biến áp. Những sóng điện áp này trong Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 26 trường hợp nghiêm trọng có thể lớn gấp 10 lần điện áp định mức thời gian tác dụng vài micrô giây. Cách điện này có thể xác định theo độ bền điện cả với tần số 50 hZ và cả với điện áp xung kích. + Cách điện giữa các vòng dây chính là nhờ cách điện bọc xung quanh sợi dây. Các máy biến áp điện lực hiện nay thường dùng hai loại dây cách điện sau: -Dây đồng tráng men (ê may) bọc sợi bông đường kính 1,18÷5,2 mm. Dây này của Nga kí hiệu là Π∃Π b0. - Dây đồng bọc giấy cáp kép, với dây tròn đường kính 1,18÷5,2 mm; với dây chữ nhật có cạnh nhỏ từ 1,4÷ 5,6 mm, cạnh lớn từ 3,75 ÷ 16,0 mm. + Cách điện giữa các lớp dây: - Thường dùng là giấy cáp hay giấy điện thoại, bìa cách điện hay có thể dùng rãnh dầu hoặc dùng rãnh không khí dọc trục. a) b) c) d) ®) r·nh dÇu.C¸ch ®iÖn gi÷a c¸c líp. a) GiÊy c¸p; b)GiÊy c¸p ho¹c giÊy ®iÖn tho¹i; c,d: b×a c¸ch ®iÖn Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 27 3.2.3 Cách điện giữa các bánh dây: Đối với dây quấn kiểu bánh dây, có thể phân ra làm nhiều loại rãnh khác nhau. Có bánh dây chính, có bãnh dây điều chỉnh điện áp thường bố trí ở giữa chiều cao cuộn dây. Tuỳ theo từng loại mà kích thước và khoảng cách cách điện của chúng khác nhau. + Đối với bánh dây chính , cách điện giữa chúng thường là các rãnh dầu ngang (hình3.2.3 a) hoặc có thêm những đệm cách điện thẳng (hình 3.2.3c,d) hay đệm gẫy góc (hình 3.2.3a). Trưòng hợp thêm cách điện giữa là dùng cho bánh dây có điện áp lớn. Chiều rộng rãnh dầu thường không chọn nhỏ hơn 4 m; nếu dùng đệm cách điện thì ghép hai tấm, mỗi tấm dầy δd = 5 mm với đầu thừa a≥ 6 mm. hr a a) b) c) d) H×nh 3.2.3 C¸ch ®iÖn gi÷a c¸c b¸nh d©y. 3.3. Các kiểu bố trí đoạn dây điều chỉnh và cách điều chỉnh dây quấn cao áp Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 28 +Như ta đã biết tải của máy biến áp luôn thay đổi. Khi tải thay đổi, điện áp ra của máy biến áp 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 (hay còn gọi là đầu phân áp) thường bố trí trên cuộn cao áp gồm nhiều vòng dây do đó dễ điều chỉnh chính xác; mặt khác dòng điện lại nhỏ nên có thể làm bộ đổi nối nhỏ, gọn. + Ở các máy biến áp giảm áp muốn tăng hay giảm điện áp cuộn hạ áp thì phải tăng hay giảm cuộn cao áp; ở các máy biến áp tăng áp muốn tăng hay giảm cuộn cao áp thì phải tăng hay giảm số vòng dây trên bản thân cuộn cao áp. Việc điều chỉnh nói trên được tiến hành bằng tay khi máy biến áp được cắt ra khỏi lưới điện- ta gọi là điều chỉnh điện áp không kích thích (ĐKT). Muốn điều chỉnh tự động và không phải cắt máy biến áp ra khỏi lưới điện thì phải có thiết bị điều chỉnh điện áp tự động dưới tải. Những máy biến áp như vậy gọi là máy biến áp điều chỉnh dưới tải (ĐDT). + Tiêu chuẩn quốc tế với máy biến áp công suất 25÷ 200.000 KVA khi điều chỉnh không kích thích thì cuộn cao áp bố hai đến 4 cấp điều chỉnh: + 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. + Khi điều chỉnh điện áp sẽ có một số vòng dây không có dòng điện do lực tác dụng đặt lên trọng tâm dây quấn lệch đi làm cho máy biến áp chịu những lực chiều trục đáng kể. Cách bố trí và chọn các đoạn điều chỉnh điện áp phải đảm bảo làm sao cho lực đó nhỏ nhất (đặc biệt là khi có ngắn mạch) và từ trường tản được đều đặn hơn. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 29 Có các kiểu bố trí đoạn dây điều chỉnh sau: A A A A X1 X2 X3 X4 X5 X5 X4 X3 X2 X1 X1 X2 X3 X4 A7 A3 A2 A4 A6 A5 X5 Xa) b) c) d) H×nh 3.3. C¸c s¬ ®å kh¸c nhau ®iÒu chØnh ®iÖn ¸p cuén cao ¸p khi kh«ng cã ®iÖn. a) Đoạn dây điều chỉnh cuối dây quấn (hình 3.3.a) Kiểu này hay dùng trong máy biến áp công suất tới 160 KVA với dây quấn hình ống nhiều lớp và lúc đó các đầu phân áp nằm ở lớp ngoài. Đối với máy biến áp có công suất 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 nấc điều chỉnh được bố trí làm hai nhóm trên dưới dây quấn nối nối tiếp với nhau (hình 3.3.b) và phân bố đều trên toàn chiều cao dây quấn nên không xuất hiện lực chiều trục. Chú ý rằng hai nhóm của đoạn dây điều chỉnh phải quấn cùng chiều với dây quấn chính. b) Đoạn dây điều chỉnh ở giữa dây quấn với đầu dây nối “ngược” hình 3.3.c: Kiểu này thường dùng cho các máy biến áp có công suất không quá 1000 KVA và điện áp đến 38,5 KV với dây quấn hình ống nhiều lớp phân Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 30 đoạn hay dây quấn xoáy ốc liên tục. Để đảm bảo từ thông cùng chiều trong lõi sắt, hai nửa cuộn dây phải quấn ngược chiều nhau. Kiểu này lực chiều trục nhỏ, nhưng điện áp giữa hai đầu A1 X rất lớn nên phải tăng cường cách điện ở đó, chiều cao dây quấn sẽ tăng lên. Vì vậy không dùng với điện áp quá cao. c) Đoạn dây điều chỉnh ở giữa dây quấn với đầu nối “ thuận” (hình 3.3.d) kiểu này dùng cho các loại dây quấn như kiểu thư hai đã trình bầy trong hình 3.3.c, nhưng với điện áp cao hơn từ 3÷ 220 KV và khắc phục được những nhược điểm của kiểu trên. 3. 4 .Tính toán dây quấn hạ áp. 1.Lựa chọn dây quấn : + Theo bảng 38 sách thiết kế máy điện – Phan Tử Thụ. Ta xem xét 2 kiểu dây quấn thường hay sử dụng phía hạ áp với máy biến áp một pha công suất : S = 50 KVA. -Loại dây quấn hình ống một hay hai lớp dây dẫn chữ nhật, dùng chủ yếu cho phía hạ áp; công nghệ chế tạo đơn giản rẻ làm lạnh tốt; độ bền cơ thấp, chịu được công suất tới 630 KVA, dòng đến 800 A, điện áp đến 6 KV. - Dây quấn kiểu hình xoắn, kép dây dẫn chữ nhật, dùng chủ yếu cho phía hạ áp; độ bền cơ cao, cách điện bảo đảm, làm lạnh tốt; giá thành cao hơn so với dây quấn hình ống, cấp công suất 160 KVA trở lên, dòng 300 A trở lên, và chịu được điện áp tới 35 KV. + Ta lựa chọn kiểu dây quấn 1: Kiểu dây quấn hình ống chữ nhật hai lớp, dây dẫn bằng đồng. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 31 1.Số vòng dây quấn hạ áp. )vßng(4429,44 9664,4 220 U U W V 1 HA1 ≈=== . + Ta chia số vòng dây quấn hạ áp ra làm hai lớp, mỗi lớp 22 vòng không chập sợi. + Số vòng dây mỗi lớp: .vßng 22 2 W W 111 == 1.Mật độ dòng điện trung bình dây quấn hạ áp. .mm/A 2,3 1769,0.50 9664,4.850 .91,0.746,0 d.S U.P .k.746,0J 2 12 Vn ftb === + Sơ bộ chọn mật độ dòng điện trong dây quấn hạ áp : J1 = 3,23 A/ mm2. 2.Tiết diện dây quấn hạ áp. . mm A 02,71 2,3 273,227 J I S 2 tb 1 HA1 === 3.Chiều cao hướng trục của mỗi vòng dây: .mm 15 122 2,347 1W l h 11 1 1V =≈+=+= 4.Lựa chọn dây dẫn hạ áp. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 32 + Căn cứ vào hV1 và S1 dựa vào bảng 44- 10 sách thiết kế máy biến áp của Phạm Văn Doanh ta chọn: Loại dây dẫn chữ nhật bằng đồng với kích thước a×b/ a’×b’ = 5,1×14,5/5,7×15,1, giữa hai lớp dây quấn hạ áp có đặt hai bìa dày: 2×0,5 (mm). 5.Mật độ dòng điện thực. .mm/A 06,3 10,74 273,227 S I J 2 1 1 1 === 6.Chiều cao tính toán của dây quấn hạ áp : ( ) ( ) (m). 0,3570,010,0151.23015,0005,01Whl 111V1 =+=÷++= + Trong đó: hV1 = b’ = 15,1 mm = 0,0151 m; W11 = 22. Trị số 0,005÷0,015 là kể đến việc quấn dây không chặt sơ bộ lấy = 0,01. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 33 KÝch th−íc d©y quÊn h¹ ¸p. 5,70mm 15 ,1 m m 14 ,5 0m m 5,1 7.Bề dầy dây quấn hạ áp. ( ) ( ) ).mm( 4,1610.4,1610.57,5.210.aa.2a 33311'1 ==+=+= −−− 8.Đường kính trong dây quấn hạ áp. ).m( 1461,010.5.21361,010.a.2dD 3301 ' 1 =+=+= −− Theo bảng 18- sách thiết kế máy biến áp – Phan Tử Thụ: + a01 = 5 mm: khoảng cách cách điện từ trụ đến cuộn hạ áp . 9.Đường kính ngoài của dây quấn hạ áp . ).m( 1625,001464,01461,0a.2DD 1 ' 1 '' 1 =+=+= Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 34 10.Bề mặt làm nguội của dây quấn hạ áp . ( ) ( ) 1''1'11 l.DD..k.1nM +π+= Trong đó: n = 1: số rãnh dầu dọc trục. k = 0,75: hệ số kể đến sự che khuất của nêm và các chi tiết khác. Với n = 1/ M1 = 0,5189 m2. n = 0/ M1 = 0,259 m2. S¬ ®å dïng cho viÖc x¸c ®Þnh kÝch th−íc h−íng kÝnh cña d©y quÊn 01 1 a11 3.5 Tính toán dây quấn cao áp . Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 35 1.Số vòng dây cuộn cao áp . ).vßng( 443076,4429 9664,4 1000.22 U U W V 2 dm2 ≈=== quy chuẩn: W2đm = 4430 vòng. 2.Số vòng dây dẫn của từng cấp điều chỉnh. + Ta lựa chọn sơ đồ cao áp với cách điều chỉnh 4 cấp: ±5%; ± 2,5%. + Số vòng điều chỉnh: ).vßng( 110025,0.4430W.025,0W dm2dc === W2 = 4430+2.110 = 4650 (vòng). W2 = 4430+1.110 = 4540 vòng. W2 = 4430 vòng. W2 = 4430-1.110 = 4320 vòng. W2 = 4430-2.110 = 4210 vòng. 3.Mật độ dòng điện trung bình trong dây dẫn cao áp. .mm/A 23,3J 2tb = Sơ bộ chọn: J = 3,0 A/mm2. 4. Chọn kiểu dây quấn : Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 36 + Theo bảng 38 chọn kiểu dây quấn: dây quấn cao áp chủ yếu 4 kiểu.Hình ống nhiều lớp dây dẫn tròn; hình ống nhiều lớp phân đoạn; dây dẫn xoáy ốc liên tục và hình ống nhiều lớp dây chữ nhật. + Đối với máy biến áp một pha: S = 50 KVA,UCA = 22 KV, ICA = 2,273 A – dòng cao áp bé ta lựa chọn kiểu dây quấn cao áp hình ống nhiều lớp. + Đặc điểm và phạm vi sử dụng của kiểu dây quấn này: Công nghệ chế tạo đơn giản; tản nhiệt kém và độ bền cơ giảm khi công suất tăng; sử dụng tới công suất 630 KVA, dòng điện tới 100 A, điện áp tới 35 KV. + Sử dụng sơ đồ điều chỉnh điện áp hình 3.3,a. 5. Sơ bộ chọn tiết diện dây dẫn: ).mm(71,0 2,3 273,2 J I S 2 2 2' 2 === 6. Chọn dây dẫn. + Lựa chọn dây dẫn bằng đồng, dây dẫn tròn, theo bảng 20 lựa chọn: 1× = ' 2 2 d d 1× 025,1 96,0 mm. + Tiết diện toàn phần (kể cả cách điện): S2 = 0,824 mm2. + Mật độ dòng điện thực trong dây dẫn cao áp: .mm/A14,3 723,0 273,2 J 22 == Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 37 7. Số vòng dây dẫn một lớp: ).vßng( 3381 025,1.1 10.7,34 1 d.n 10.l W 3 ' 22V 3 2 12 =−=−= l2 = l1 0,357 m; .mm025,1d'2 = 8.Số lớp dây quấn. ).líp( 131,13 338 4430 W W n 12 2 12 ≈=== 9. Điện áp làm việc của 2 lớp kề nhau: U12 = 2.W12.UV = 2.338.4,9664 = 3357,3 (V). 10. Căn cứ vào bảng 26 sách thiết kế máy biến áp của Phan Tử Thụ, chọn chiều dây cách điện giữa các lớp: 5× 0,12 = 0,6 mm. 11.Tra bảng 18 và 19 sách thiết kế máy biến áp – Phan tử Tụ ta chọn các kích thước cơ bản sau: + a12 = 20 mm: Khoảng cách giữa Cao áp và Hạ áp . + δ12 = 5 mm: Chiều dầy ống cách điện giữa hai dây quấn. + Khoảng cách từ Cao áp đến gông: l02 = 75 mm. 12.Phân phối các vòng dây trong các lớp, chia tổ: + Để tăng điều kiện làm nguội thường theo chiều dày của dây quấn phân làm hai tổ lớp. Giữa hai lớp có rãnh dầu dọc trục '22a . Tổ lớp trong làm nguộ Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 38 khó khăn hơn nên bố trí ít lớp hơn tổ lớp ngoài. Thường tổ lớp trong không quá1/3 đến 2/5 tổng số lớp dây quấn. + Căn cứ vào trên ta chọn: Tổ lớp 1: n = 4, tổ lớp trong. Tổ lớp2: m = 9, tổ lớp ngoài. 13.Bề dầy dây quấn cao áp. ( ) ( ) ( ) ( ) ).mm( 30101914.3,0.294.025,1 a1m1n.mn.da '22 ' 22 =+−+−++= +−+−δ++= + Ta phải tính thêm bề dây thực của dây quấn Cao áp khi đưa ra các đầu nối dây quấn điều chỉnh;để đầu dây điều chỉnh không bị bung thì cần phải có dây gai quấn chặt nó, ta có 6 đầu dây dẫn cao áp đưa ra: + Như vậy kể cả cách điện đầu dây dẫn ra và bọc cách điện của nó ta sơ bộ chọn thêm : 10 mm. + Bề dầy thực cuộn cao áp: a2 = 30+10 = 40 (mm). 14.Đường kính trong dây quấn cao áp. .mm210)m( 21,010.20.21625,010.a.2DD 3312 ' 1 ' 2 =≈+=+= −− 15.Đường kính ngoài dây quấn cao áp. ).mm( 29040.2210.a.2DD 2 ' 21 '/' 2 =+=+= 16.Khoảng cách giữa hai trụ cạnh nhau. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 39 ).mm( 220140.25,040290.5,0d.25,0a.D5.0C 22 '' 21 =++=++= 17.Bề mặt làm lạnh của dây quấn cao áp. ( ) ( ) ).m(643,0357,0.2325,02025,0..88,0.5,1l.DD..k.5,1M 22''2'22 =+π=+π= Trong đó: + k = 0,88: hệ số kể đến sự che khuất của nêm và các chi tiết cách điện khác. 18.Lựa chọn sơ đồ điều chỉnh dây quấn . + Với cách lựa chọn dây quấn hình ống nhiều lớp như trên ta lựa chọn sơ đồ điều chỉnh dây quấn như sau: A X1 X2 X3 X4 X5 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 40 + Đoạn dây điều chỉnh ở cuối dây quấn kiểu này hay dùng cho các máy biến áp công suất tới 160 KVA. Điện áp (KV) Số vòng dây (Vòng) Các cực dây quấn 23,10 4650 AX1 22,55 4540 AX2 22,0 4430 AX3 21,45 4320 AX4 20,9 4210 AX5 19.Trọng lượng dây quấn Hạ áp. ).kg( 36,1610.10.07,86.44. 2 1625,01461,0 .28 10.S.W. 2 DD .28G 63 3' 1dm1 '' 1 ' 1 1Cu =+= =+= − 20.Trọng lượng dây dẫn cao áp . ).kg( 67,2010.10.765,0.4430. 2 2325,02025,0 .28 10.S.W. 2 DD .28G 63 3' 2dm1 '' 2 ' 2 2Cu =+= =+= − 21.Toàn bộ trọng lượng dây quẫn kể cả cách điện của dây dẫn cao áp và hạ áp : Gdd = 13,36 + 20,67 =37,025 (kg). Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 41 22.Sơ đồ bố trí dây quấn cao áp và hạ áp(trang bên). + Sau khi tính toán và quy chuẩn ta có: d = 140 mm; d12 = 180 mm; D1’ = 150 mm; D1’’ = 166,4 mm; D2’ = 210mm; D1’’ = 290 mm; a01 = 10 mm; δ1 = 5 mm; a1 = 16,4 mm; a12 =20 mm; δ12 = 5 mm; a2 = 30mm; l02 = 75 mm.;lđ = 20 mm. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 42 δ2δ12δ1 a2a1 a12a1 a21 l02 l® a22 φ140 φ150 φ166,4 φ180 φ210 φ240 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 43 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH DÂY QUẤN MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA. 4.1.Đai cương. + Tổn hao ngắn mạch của máy biến áp hai dây quấn là tổn hao trong máy biến áp khi ngắn mạch một dây quấn còn dây quấn kia đặt vào điện áp ngắn mạch Un để dòng điện trong cả hai dây dẫn đều bằng địnhh mức. + Tổn hao ngắn mạch có thể chia ra các thành phần như sau: a) Tổn hao chính, tức tổn hao đồng trong dây quấn hạ áp và cao áp do dòng điện gây ra PCu1 và PCu2. b) 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 dây gây ra Pf1 và Pf2. c) Tổn hao chính trong dây dẫn ra Pr1và Pr2. d) Tổn hao phụ trong dây dẫn ra Prf1và Prf2 thường tổn hao này rất nhỏ ta bỏ qua. đ) Tổn hao trong vách thùng dầu và các chi tiết kim loại khác Pt do từ thông tản gây ra. + Thường thì tổn hao được tính gộp vào trong tổn hao chính bằng cách thêm vào tổn hao chính bằng việc thêm vào hệ số tổn hao phụ Kf. Vậy tổn hao ngắn mạch tính theo công thức sau: Pn = PCu1.Kf1+ PCu2.Kf2 + Pr1+ Pr2+Pt. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 44 4.2. Tính toán tổn hao phụ. 1.Tổn hao chính. + Dây quấn hạ áp: ).W( 6,36736,16.06,3.10.4,2G.J.10.4,2P 2121Cu 2 tb 12 1Cu === −− Trong đó: Jtb = 3,06 A/mm2; GCu1 = 16,36 kg. + Dây quấn hạ áp: ).W( 48667,20.13,3.10.4,2G.J.10.4,2P 2122Cu 2 tb1 12 2Cu === −− Trong đó: Jtb = 3,13 A/mm2; GCu1 = 20,67 kg. + Tổng tổn hao đồng chính: PCu = PCu1+PCu2 = 376,6 +486 = 853,6 W. 1 W1 S1 J1 PCu1 2 W2 S2 J2 PCu2 Dtb1 Dtb2 d12 d S¬ ®å dïng ®Ó x¸c ®Þnh träng l−îng d©y ®ång vμ tæn hao trong d©y quÊn. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 45 2.Tổn hao chính trong dây dẫn ra. + Dây dẫn hạ áp: ).W(49,2006,3.93,0.10.4,2J.G10.4,2P 21221HA1r 12 1r === −− Trong đó: Gr1HA = 3,5.l1.S1’.γ.10-6 = 3,5.0,347.86,07.8900.10-6 = 0,93 (kg). J1 = 3,06 A/mm2. + Dây dẫn cao áp : ).W(88,113,3.08,0.10.4,2J.G10.4,2P 21222CA2r 12 2r === −− Trong đó: Gr2CA = 3,5.l2.S2’.γ.10-6 = 3,5.0,347.0,724.8900.10-6 = 0,08 (kg). J1 = 3,136 A/mm2. 3.Tổn hao trong thùng và các chi tiết khác. Pt = 10.k.S = 10.0,015.50 = 7,5 (W). Trong đó: + Trị số k tra trong bảng 40a sách thiết kế máy biến áp – Phạm Văn Doanh ta lấy k = 0,015. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 46 4.Tổng tổn hao ngắn mạch. Pn = PCu1.Kf1+ PCu2.Kf2 + Pr1+ Pr2+Pt = PCu.Kf+ Pr1+ Pr2+Pt = 853,6.1,02 +20,49 + 1,88 + 7,5 = 900 (W). Trong đó: Lấy Kf1 = Kf2 = Kf = 1,02, hệ số tổn hao phụ. 4.3. 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 quấn kia nối ngắn mạch sao cho dòng điện cả hai phía đều bằng dòng điện định mức tương ứng. + Trị số Un là một tham số rất quan trọng ảnh hưởng tới đặc tính vận hành cũng như kết cấu của máy biến áp: - Khi Un bé thì dòng điện ngắn mạch In gây lên lực tác dụng cơ học lớn trong máy biến áp . - Khi Un lớn thì điện áp giáng ΔU ở trong máy biến áp tăng lên ảnh hưởng tới các hộ dùng điện (đèn tối...). - Phân phối tải không tốt dẫn tới máy biến áp một pha làm việc không cân tải. 1.Thành phần điện áp ngắn mạch tác dụng. 8,1 50.10 900 S.10 P U nnr === %. 2. Thành phần ngắn mạch phản kháng. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 47 %48,410.95,0. 9664,4 95,0.6,1.50.50.92,7 10.K. U a..S.f.92,7 U 1 2 1 r2 V r nx ==β= −− . 3. Điện áp ngắn mạch toàn phần: %8,448,48,1UUU 222nx 2 nrn =+=+= . 4.So sánh điện áp ngắn mạch tính toán với điện áp ngắn mạch tiêu chuẩn: %6,3100. U UU U nTC nTCntt n =−=Δ . * Nhận xét: Giá trị điện áp ngắn mạch tính toán trên là đạt yêu cầu thiết kế. 4.4 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.Vấn đề nhiệt đối với máy biến áp không quan trọng lắm, máy cắt sẽ tự động cắt phần sự cố ra khỏi lưới điện, do đó vấn đê chủ yếu là lực cơ học gây lên 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 ta phải chú ý đến những lực cơ học tác dụng lên dây quấn khi ngắn mạch xem độ bền dây quấn có đảm bảo không: - Phải xác định trị số cực đại của dòng ngắn mạch. - Xác định lực cơ học giữa các dây quấn. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 48 - Tính ứng suất cơ của các đệm cách điện giữa các dây quấn và bản thân dây quấn . 1.Trị số hiệu dụng của dòng điện ngắn mạch: ).A( 46,45100. 5 273,2 100. U I I n dm n === 2. Trị hiệu dụng của dòng ngắn mạch xác lập: ).A( 46,45 5 100.273,2 100. U I I n dm n === 3.Trị số cực đại (hay xung kích) của dòng điện ngắn mạch. + Khi ngắn mạch đột nhiên dòng điện ngắn mạch gồm hai thành phần: một thành phần chu kỳ và một thành phần tự do không chu kỳ. Chính thành phần tự do không chu kỳ làm trị số dòng điện ngắn mạch tăng lên rất lớn. ).A( 5,82.64,4546,45.2.II.2i 48,4 8,1. U U nnmax nx nr =⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ +=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ += π−π− 4.Tính lực cơ học khi ngắn mạch. + Khi ngắn mạch dây quấn chịu lực cơ học lớn rất lớn. Nếu không xét kỹ có thể lực cơ học làm hư hỏng dây quấn. Lực cơ học sinh ra do tác dụng của dòng điện trong dây quấn với từ trường tản. +Dây quấn Hạ áp và Cao áp đều là dây quấn đồng tâm, có cùng chiều cao; từ trường tản gồm có thành phần dọc trục với từ cảm B và thành phần Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 49 ngang trục với từ cảm B’, ứng với mỗi từ trường tản sẽ có lực tác dụng tương ứng. a2a12a1 B B' H×nh 4.1.Tõ tr−êng t¶n däc vμ ngang trong d©y quÊn ®ång t©m. Fr Fr 5. Tính lực hướng kính tác dụng lên dây quấn. + Dây quấn mà ta xét ở đây là dây quấn đồng tâm, nên công thức tính như sau: ( ) ( ) ).N( 127502 10.95,0.6,1.5,82.4430628,010.K..i.W628,0F 6 26 r 2 max2r = =β= −− Trong đó: + imax = 82,5: Trị số cực đại dòng điện điện ngắn mạch. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 50 + W2= 4430: Số vòng dây cuộn Cao áp ứng với U2 đm = 22 KV. +β = 1,6: Hệ số hình dáng máy biến áp. + Kr = 0,95: Hệ số quy đổi từ trường tản. + Lực hướng kính Fr đối với hai loại dây quấn đồng tâm Hạ áp và Cao áp là trực đối với nhau, có tác dụng ép (hay nén) đối với dây quấn trong và có tác dụng trương hay bung đối với dây quấn ngoài. Lực phân bố đều dọc chu vi của hai dây quấn. H×nh 4.2. T¸c dông cña lùc h−íng kÝnh lªn d©y quÊn ®ång t©m. 6. Lực chiều trục tác dụng lên dây quấn. + Lực chiều trục có tác dụng nén cả hai dây quấn theo chiều trục, lực chiều trục FT có xu hướng lớn nhất là ở giữa dây quấn vì hai đầu ép lại và có xu hướng làm sập những vòng dây ngoài cùng nếu quấn không chặt. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 51 ).N( 6687 347,0.2 95,0 .127502 l.2 a .FF rT === 7. Ứng suất trong dây quấn Hạ áp và Cao áp. + dây quấn Hạ áp (ứng suất nén). ).MPa( 36,5 10.07,86.44..2 127502 S.W..2 F 6' 11 r nHA =π=π=σ − W1 = 44 vòng; S1’ = 86,07 mm2. + dây quấn Cao áp (ứng suất kéo). ).MPa( 56,5 10.825,0.4430..2 127502 S.W..2 F 6' 22 r kCA =π=π=σ − W2 = 4430vòng; S2’ = 0,825 mm2. 8.Ứng suất dọc trục ở các cuộn dây Cao áp và Hạ áp. ( ) ( ) ( ) ( ) ).MPa( 85,0 10.10164,0. 2 1625,01461,0 . 10.6657 aa. 2 DD . 10.F 3 6 111 ''' 6 t n = −+π = −+π =σ − −− * Nhận xét: σHẠ ÁP =5,36 MPa, σCAO ÁP =5,56 MPa<σCF =18÷ 20 MPa. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 52 Việc thiết kế dây quấn cho máy biến áp một pha như trên khi ngắn xảy ra các ứng suất cơ tác dụng lên dây quấn nhỏ hơn rất nhiều so với trị số cho phép lên thoả mãn. LỜI NÓI ĐẦU. ã hội không ngừng phát triển sinh hoạt của người dân không ngừng được nâng cao nên cần lượng điện năng lớn cũng như yêu cầu sử dụng nhiều loại máy điện mới để phục vụ sản xuất. Tốc độ phát triển sản xuất của một nước đòi hỏi một tốc độ phát triển tương ứng của ngành công nghiệp điện lực. Thường tốc độ này phát triển cao hơn 20% tốc độ phát triển của nền sản xuất, do đó ngành chế tạo máy điện cần có những yêu cầu cao hơn về mặt số lượng, chất lượng và chủng loại. Ta biết rằng đối với máy điện có công suất càng lớn thì giá thành trên một đơn vị công suất càng hạ nên máy điện có xu hướng sản xuất ngày càng lớn. Hiện tại các máy phát nhiệt điện có công suất sản xuất đơn chiếc 1÷1,5 triệu KW và máy phát thuỷ điện đạt 70÷80 vạn KW.Do vậy ngành công nghiệp chế tạo máy biến áp cũng cần có sự phát triển tương ứng. Máy biến áp điện lực là một bộ phận rất quan trọng trong hệ thống tải điện. Việc truyền tải điện năng đi xa từ nhà máy điện đến phục vụ sinh hoạt cũng như sản xuất công nghiệp cần phải trải qua 4÷5 lần tăng giảm điện áp. Hiệu suất của máy biến áp rất lớn (98÷99%) nhưng do số lượng máy biến áp lớn nên tổng tổn hao trong hệ thống rất đáng kể vì thế phải chú ý đến vấn đề giảm tổn hao, nhất là tổn hao không tải máy biến áp. Để giải quyết vấn đề này hiện nay trong công nghiệp sản xuất máy biến áp người ta sử dụng chủ yếu X Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 53 thép cán nguội, có suất tổn hao và công suất từ hoá thấp, mặt khác còn thay đổi kết cấu mạch từ một cách thích hợp như ghép mỗi nối nghiêng các lá tôn, tự động ủ lắp ráp v.v...Nhờ vậy mà công suất và hiệu suất tăng lên. Máy biến áp ba nói chung và máy biến áp điện lực một pha nói riêng có ứng dụng rất rộng rãi nên đặt ra vấn đề phải cải tiến công nghệ nhằm tạo ra những sản phẩm có chất lượng cao hơn, giá thành rẻ hơn và thích hợp với sinh hoạt cũng như sản xuất. Vì vậy đặt ra yêu cầu phải tìm ra phương án thiết kế tốt nhất. Trong quyển đồ án này, nhiệm vụ của em là: * Tìm hiểu, chọn phương án thiết kế máy biến áp một pha sao cho tổn hao không tải, tổn hao ngắn mạch và chi phí cho vật liệu tác dụng là nhỏ nhất. Mục đích của em là giảm được tổn hao không tải, tăng hiệu suất máy biến áp một pha. * Một số chú ý khi sử dụng máy biến áp một pha. Do trình độ của em có hạn chế và điều kiện thời gian có hạn nên trong bản thiết kế này không tránh khỏi sai sót. Em rất mong được sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo và các bạn để em có sự hiểu biết sâu hơn về máy điện. Sau một thời gian nghiên cứu, học tập và được sự giúp đỡ tận tình của thầy, cô giáo. Đặc biệt là thầy giáo: CHU ĐÌNH KHIẾT trong bộ môn Thiết bị Điện - Điện tử, khoa Điện, trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã nhiệt tình hướng dẫn giúp đỡ em hoàn thành tốt nhiệm vụ thiết kế của mình. Em xin chân thành cảm ơn! Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 54 Hà Nội, ngày 30 tháng 4 năm 2004. Sinh viên thiết kế: ĐOÀN VĂN ĐỨC chương I. Tìm hiểu chung về máy biến áp và phương án thiết kế máy biến áp một pha 1.1 phạm vi sử dụng máy biến áp một pha. máy biến áp một pha. Loại máy này thường sử dụng với mục đích để cung cấp cho phụ tải phân tán; khi mà việc sử dụng máy biến áp ba pha không đạt hiệu quả tốt lắm. Vì loại máy này kết cấu đơn giản, dễ chế tạo nên có ưu điểm: + Phân bố phụ tải cho đều. + Kinh tế trong việc cung cấp cho phụ tải phân tán. a) Phân bố phụ tải cho đều. +Với phụ tải phân tán có đặc điểm là tải không tập trung vào một chỗ nên việc cung cấp điện cho loại phụ tải này là rất khó khăn. Vì nó đặt ra vấn đề là phải cung cấp cho tải cho đều. Máy biến áp một pha đáp ứng được yêu cầu này vì nó chế tạo rất đơn giản, kết cấu nhỏ gọn, ta có thể đặt liền một mlúc nhiều máy biến áp một pha ở trung tâm phụ tải phân tán. b) Sử dụng máy biến áp một pha rất kinh tế. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp một pha 55 Máy biến áp một pha thường cần một đường dây cao áp đưa đến máy biến áp nên tiết kiệm được dây dẫn rất nhiều, giảm tổn thất tryền tải trên đường dây.