Bài tập tính toán thiết kế máy biến áp năm 2024

Quyền "Thiết kế Máy biến áp điện lực" này được vứt trên cơ sở các giáo trình của tác giả đã được giảng dạy nhiều năm ở bộ môn Thứ bị điện - điện từ [bộ môn Máy điện - Khi cụ điện trước kia thuộc khoa Điện, trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Nội dung sách không đi sâu vào lý thuyết máy biến áp mà chủ yếu trình bày vẽ lý thuyết thiết kế và các bước tính toán một máy biến áp cụ thể tính các đại lượng điện cơ bản, các kích thước chủ yếu, kh cấu của dây quần, lối thép đến các tham số ngắn mạch, không tải, tinh toàn nhiệt và và thang máy biến áp. Cuối cùng là vì dụ minh họa tính toàn cho một máy biến áp. Để tiến sử dụng các bảng tra cứu cần cho quá trình tinh toàn được để trong phần phụ lục ở cuối sách,

Trung những năm gần đây, ngành chế tạo máy biến áp đã có những tiên bò rất lớn nhất là trên các tỉnh cực và sản xuất vật liêu dân từ, dẫn diễn, vật liu cách điện, tý công nghệ chế tạo, quá trình thử nghiệm máy biến áp... Vì bày nội dung quyển sách đã được bổ sung, cập nhật những tư liệu mới nhất tương ứng với các tiến bộ da chủ yếu là ở CHLB Nga và một số nước có ngành công nghiệp chế tạo biến áp phát triển mạnh như CHLB Đức, Mỹ, Nhật Bản... Và kết cấu, ngoài cấu trúc phỏng thì cấu trúc không gian đã được nhiều hãng chế tạo máy biến áp nổi tiếng trên thế giới sử dụng vì tình năng kỹ thuật trên một số một tỏ ra nổi trội cũng sẽ được giới thiệu trong sách. Tuy nhiên cấu trúc phỏng cho đến nay và nhất là ở nước ta, vẫn là phố biến và được ưa dùng nhát, tên sách chủ yếu chỉ trình bày cách tỉnh thàn cho cấu trúc này.

quyển sách này được dùng làm tài liệu giảng dạy và học tập cho sinh viên, học sinh chuyên ngành Thiết bị điện nói riêng và ngành Điện nói chung ở các trường đại học kỹ thuật, cao đẳng hoặc trung học chuyên nghiệp. Cùng có thể làm tài liệu tham khảo cho các kỹ sư, kỹ thuật viên ngành Điện và các ngành liên quan trong thiết kế chế tạo, sử dụng, vận hành máy điện và máy biến áp cùng nhưng ai quan tâm đến lĩnh vực này.

Còn ý kiến đóng góp cho quyển sách xin gửi từ bộ môn Thiết bị điện diện tử, trường Đại học Bách khoa Hà Nội.

Iái Niệm. Máy biến áp là bộ phận quan trọng trong hệ thống điện, biến đổi điện áp này sang điện áp khác. Việc truyền tÁi điện năng từ nhà máy điện tới hộ tiêu thụ cần tối thiểu 4 đến 5 lần tăng giÁm điện áp. Do đó tổng công suất đặt gấp từ 5 đến 8 lần hoặc h¡n nữa. Hiệu suất cÿa máy biến áp th°ßng rất lớn [98%-99%]. Nh°ng vì số l°ợng máy biến áp nhiều nên tổng tổn hao là rất lớn, do đó tôn cán l¿nh đ°ợc dùng làm m¿ch từ máy biến áp, khi đó tổn hao công suất [P] và công suất từ hoá[Q] thấp, dẫn đến tổn hao giÁm đáng kể. Các bộ phận chính trong máy biến áp: Lõi sắt[ m¿ch từ], dây quấn , hệ thống làm mát và vỏ máy

II. Tiêu chuẩn trong việc ch¿ tạo máy bi¿n áp. Một trong những nhiệm vụ cÿa ngành thiết kế máy biến áp là xác định đ°ợc những yêu cầu riêng cho các máy biến áp. PhÁn ánh đ°ợc yêu cầu về vận hành và điều kiện làm việc cÿa nó. ĐÁm bÁo sự phát nóng cho phép, khÁ năng về quá tÁi, s¡ đồ tổ nối dây, điện áp định māc, điều chỉnh về điện áp, các đặc tính về không tÁi, ngắn m¿ch.... Do yêu cầu về má rộng thang công suất, điện áp và nâng cao chất l°ợng điện năng cũng nh° tính năng cÿa máy biến áp nhiều tiêu chuÁn mới cÿa máy biến áp đ°ợc đ°a ra. à đây ta thiết kế máy biến áp có công suất là 250KVA điện áp 35/0 [ làm mát bằng không khí], kiểu trụ.

Công Suất Làm l¿nh bằng Số pha điện áp 250KVA Không khí 3 35/0

So với tiêu chuẩn cũ thì tiêu chuẩn mới có những yêu cầu cao h¡n nh°:

• tổn hao giÁm đáng kể.
• hiệu suất tăng lên
• giÁm māc tăng nhiệt độ cÿa dây quấn
• má rộng ph¿m vi điều chỉnh điện áp d°ới tÁi
• tăng c°ßng trang thiết bị máy biến áp kiểm tra chất l°ợng và bÁo quÁn

Nhóm 3 Điện 1_ K1 HaUI Xuanhiep2509@gmail

####### 1/

III. Chọn vật liệu trong việc thi¿t k¿ ch¿ tạo máy bi¿n áp.

Việc chọn lựa vật liệu thiết kế máy biến áp nhằm mục đích cÁi thiện các đặc tính cÿa mày biến áp nh° :

• giÁm tổn hao năng l°ợng, kích th°ớc, trọng l°ợng
• đÁm bÁo độ tin cậy, đÁm bÁo chất l°ợng
• vật liệu rẻ, dễ kiếm Vật liệu trong máy biến áp th°ßng có 3 lo¿i:
• vật liệu tác dụng : dùng để dẫn điện nh° dây quấn, dẫn từ nh° lõi thép.
• vật liệu cách điện : dùng để cách điện các phần tử trong máy biến áp [nh° cartong cách điện, sā, s¡n emay, dầu biến áp....].
• vật liệu kết cấu : dùng để bÁo vệ vÁ giữ cố định máy biến áp[ bulông, xà ép, vỏ máy.

Vật liệu quan trọng trong việc thiết kế chế t¿o máy biến áp là tôn silic. Lõi thép máy biến áp đ°ợc dùng chÿ yếu là tôn cán nóng dày 0 hoặc tôn cán l¿nh dày 0. Tuy nhiên để giÁm suất tổn hao ng°ßi ta dùng tôn cán l¿nh, đồng thßi tăng độ từ cÁm trong lõi thép lên 1 1 tesla trong khi tôn cán nóng chỉ tới 1 tesla. Do dó suất tổn hao giÁm, trọng l°ợng và kích th°ớc giÁm đÁm bÁo chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, đặc biệt là chiều cao giÁm đáng kể thuận tiện cho di chuyển lắp đặt. Vật liệu quan trọng thā hai là kim lo¿i làm dây quấn, ng°ßi ta th°ßng dùng dây quấn làm bằng đồng vì:

• điện trá suất nhỏ, dẫn điện tốt, dễ gia công.
• đÁm bÁo độ bền c¡ điện tốt..... Trong thiết kế MBA có hai lo¿i dây dẫn th°ßng đ°ợc dùng là đồng và nhôm, mặc dù nhôm có những °u điểm nh° rẻ, dễ kiếm, nhẹ nh°ng điện trá suất cao h¡n, độ bền c¡ kém, khó gia công nên ng°ßi ta chọn đồng làm dây quấn Về vật liệu cách điện thông th°ßng ng°ßi ta dùng dây quấn cách điện bọc bằng giấy cáp. à đây theo yêu cầu thiết kế ta dùng cấp cách điện B. Tuy nhiên nhiệt độ cho phép cÿa dây quấn máy biến áp đ°ợc quyết định không chỉ á cấp cách điện cÿa mày biến áp mà còn phụ thuộc nhiệt độ cho phép cÿa không khí làm mát biến áp. Ng°ßi ta th°ßng dung s¡n emay do mỏng h¡n, cách điện tốt h¡n, độ bền c¡ và tính chịu nhiệt cũng tốt h¡n giấy cáp tuy nhiên giá thành cao h¡n.

Nhóm 3 Điện 1_ K1 HaUI Xuanhiep2509@gmail

####### 1/

a/ Lõi sắt kiểu trụ : à đây dây quấn ôm lấy trụ sắt. Gông từ không bao lấy mặt ngoài cÿa dây quấn. Trụ sắt th°ßng để đāng, tiết diện gồm nhiều bậc thang nên đ°ßng bao gần hình tròn và dây quấn thành hình trụ tròn. Kết cấu đ¡n giÁn chịu đ°ợc āng suất do lực điện động gây ra tốt.

Hình2. Lõi sắt cÿa MBA 3 pha dây quấn kiểu trụ 1- Gông 2- Trụ 3- Tiết diện trụ

1

3

2

Nhóm 3 Điện 1_ K1 HaUI Xuanhiep2509@gmail

####### 1/

b/ Lõi sắt kiểu bọc : Gông trụ bọc ngoài dây quấn, trụ th°ßng để nằm ngang , tiết diện trụ hình chũ nhật. ̄u điểm là máy biến áp không cao nên vận chuyển dễ dàng. à kiều này dây quấn CA và HA th°ßng quấn xen kẽ nhau nên chống sét tốt. Nh°ợc điểm là khó chế t¿o h¡n, độ bền c¡ học kém [ các lực tác dụng lên dây quấn không đều , tốn nguyên liệu

Hình 3. Lõi sắ MBA 3 pha kiểu bọc 1- Trụ 2- Gông 3- Dây quấn

Ngoài ra ng°ßi ta còn thiết kế kiểu lõi sắt trung gian giữa kiểu trụ và kiểu bọc gọi là trụ-bọc. c/Theo ph°¡ng pháp ghép trụ và gông có thể chia lõi sắt thành 2 kiểu: Lõi ghép nối và ghép nối xen kẽ.

• Ghép nối: Gông và trụ ghép riêng rồi đ°ợc nối l¿i với nhau nên không bÁo đÁm tiếp xúc tốt giữa trụ và gông , do đó tổn hao không tÁi và tổn hao dòng điện lớn vì vậy kiểu này ít dùng

Hình 4. Ghép nối

1 2

3

Nhóm 3 Điện 1_ K1 HaUI Xuanhiep2509@gmail

####### 1/

3. Hệ thống làm mát. Khi MBA làm việc , lõi sắt và dây quấn đều có tổn hao dẫn đến MBA phát nóng. Muôna làm việc lâu dài và tăng tuổi thọ cho MBA phÁi giÁm nhiệt độ xuống. Có thể làm nguội bằng không khí tự nhiên hoặc dầu máy biến áp, với lo¿i công suất nhỏ ng°ßi ta th°ßng làm mát bằng không khí [ lo¿i >1000KVA làm mát bằng dầu]. Đề tài này chúng ta thiềt kế máy biến áp công suất nhỏ [250KVA] làm mát bằng không khí.

Nhiệm vụ chung cÿa ng°ßi thiết kế máy biến áp là căn cā vào dung l°ọng điện áp và đặc tính đã cho ban đầu. Thì kết quÁ phÁi đÁm bÁo chắc điện, c¡, đặc tính kĩ thuật, độ tin cậy, dễ sÁn xuất, rẻ tiển phù hợp với sÁn xuất MBA á Việt Nam. Thực tế cho thấy rằng những số liệu ban đầu có thể có đ°ợc những quan hệ khác nhau về kích th°ớc chính cÿa MBA, tÁi điện từ, giá thành, trọng l°ợng máy.. đó cần ph°¡ng án để lựa chọn một ph°¡ng án đÁm bÁo yêu cầu đã cho. Nh° vậy công việc thiết kế th°ßng qua ba giai đo¿n: 1. Nhiệm vụ kĩ thuật: Chÿ yếu định rõ hình dáng máy biến áp nh° kết cấu, ph°¡ng pháp làm mát. à đây ta thiết kế MBA không khi công suất 250KVA - 35/0 - 50Hz vì vậy nhiệm vụ thiết kế phÁi đÁm bÁo tính kinh tế, độ ổn định, độ tin cậy MBA. 2. Tính toán điện từ: Th°ßng qua một số b°ớc chÿ yếu sau đây: - Tính toán kích th°ớc chÿ yếu - Thiết kế cuộn dây, các kết cấu cách điện cÿa chúng - Tính toán kiểm nghiệm các đặc tính về điện, từ. - Tính toàn cụ thể lõi sắt - Tính toán nhiệt và thiết kế vỏ máy 3. Thiết kế thi công. - Tính toán và vẽ đầy đÿ chi tiết kết cấu MBA - Tính toán kinh tế về sÁn phẩm chế t¿o - Thiết kế MBA đ°ợc tiến hành qua các b°ớc nh° sau: a/ Xác định các đ¿i l°ợng c¡ bÁn: + Tính dòng điện, điện áp pha cÿa các cuộn dây. + Xác định điện áp thử cÿa dây quấn. + Xác định các thành phần cÿa điện áp ngắn m¿ch

Nhóm 3 Điện 1_ K1 HaUI Xuanhiep2509@gmail

####### 1/

b/Tính toán kích th°ớc chÿ yếu:

• Chọn s¡ đồ và kích th°ớc lõi sắt
• Chọn mã hiệu tôn và cách điện, chọn c°ßng độ từ cÁm lõi sắt
• Chọn kết cấu và xác định khoÁng cách cách điện các cuộn dây
• Tính toán s¡ bộ và chọn kích th°ớc chÿ yếu hình dáng β theo P 0 , Pn, Unvà Io đã cho.
• Xác định đ°ßng kính trụ và chiều cao dây quấn c/ Tính toán dây CA và HA
• Chọn dây quấn CA và HA
• Tính toán dây quấn CA
• Tính toán dây quấn HA d/ Tính toán ngắn m¿ch
• Xác định tổn hao ngắn m¿ch
• Tính toán điện áp ngắn m¿ch
• Tính toán lực c¡ cÿa dây quấn khi MBA bi ngắn m¿ch e/ Tính toán về m¿ch từ tham số không tÁi
• Xác định kích th°ớc cụ thể cÿa máy biến áp
• Xác định tổn hao không tÁi, dòng điện không tÁi và hiệu suất cÿa máy biến áp f/ Tính toán nhiệt hệ thống làm mát MBA.
• Khái niệm về hệ thống làm mát
• Tính toán độ chênh nhiệt
• Tính toán nhiệt MBA g/ Tính toán các chi tiết
• Gông nắp, qu¿t gió..............

Nhóm 3 Điện 1_ K1 HaUI Xuanhiep2509@gmail

####### 1/

tổn hao từ trễ Ph và tổn hao từ xoáy Px , trong đó Ph tỉ lệ với bình ph°¡ng từ tần số từ hoá và bình ph°¡ng cÁm āng từ:

K

BP f m

3, 2 5050

Trong đó : P= ]/[ 50

1 kgW là tổn hao cÿa lõi thép á tần số từu hoá f=50Hz t°¡ng °óng với

cÁm āng từ B=1Tesla mK là khối l°ợng lõi thép á đo¿n k[kg] B là cÁm āng từ cÿa lõi thép á đo¿n k [ Tesla] 3/ Điện áp ngắn mạch Un Điện áp ngắn m¿ch Un là đ¿i l°ợng đặc tr°ng cÿa điện trá và điện kháng tÁn cÿa dây MBA. Un% = 100100 dm

ndm dm

n U

ZI x U

U

Ành h°áng cÿa Un% đến tính năng kinh tế:

• Khi Un% lớn thì dòng điện ngắn m¿ch Inm nhỏ nh°ng trọng l°ợng dây quấn đồng tăng nên giá thành tăng.
• Khi Un% nhỏ thì dòng ngắn m¿ch Inm lớn gây nóng Ánh h°áng đến cách điện
• Thông th°ßng Un= 5 - 10%. 4/ Dòng điện không tải Io
• Là dòng điện ch¿y trong dây quấn s¡ cấp khi dây quấn thā cấp há m¿ch.
• Giá trị hiệu dụng :

Io =

2

II 00 xr ][

• I0x là dòng từ hoá lõi thép t¿o nên từ thông cùng chiều với từ thông +I0r là dòng t¿o nên tổn hao sắt từ cÿa lõi thép thông th°ßng I0r =0*Io Thông th°ßng I 0 = [0,005-0,1] Idm.

Nhóm 3 Điện 1_ K1 HaUI Xuanhiep2509@gmail

####### 1/

1. Công suất mỗi pha máy bi¿n áp ba pha.

Sf = Sdm/m

Trong đó Sdm=250KVA, m= Vậy ta có công suất mỗi pha là: Sf =250/3 =83,33KVA

2. Công suất mỗi trÿ MBA. S’ =S/t Trong đó t =3 là số trụ tác dụng cÿa MBA: => S’= 250/3=83 KVA.

3. Các dòng điện định mức. a/ Dòng h¿ áp: I 1 = ].[85, 4.

250 .3 1

A U

S dm U1dm=0,4KV : điện áp phía h¿ áp b/Dòng cao áp. I 2 = ][12, 35.

250 .3 2

A U

S dm 4. Điện áp pha. Bên cao áp: Uf2= U 2 / 3 =35000/ 3 =20207 V. Bên h¿ áp : Uf1= U 1 / 3 =400/ 3 =231 V. 5. Điện áp thử nghiệm dây quấn : Theo tiêu chuẩn VN [ phụ lục 13]: Dây quấn CA với U 2 =35kV thì Ut= 80kV Dây quấn HA với U 1 =0 thì Ut=5 kV 6. Kiểu dây quấn. Theo phụ lục XV, dây quấn CA với điện áp U 2 =35kV và dòng I 2 =4, A chọn lo¿i dây quấn hình ống nhiều lớp tiết diện tròn, dây quấn HA với U 1 =0,4 kV và dòng I 1 =360,85A chọn dây quấn hình ông đ¡n.

Trong thiết kế việ lựa chọn vật liệu tác dụng cũng nh° vật liệu cách điện vật liệu dây dẫn, vật liệu kết cấu m¿ch từ, vật liệu kết cấu m¿ch từ... có Ánh h°áng đến tính năng MBA, hiệu suất máy. Các vật liệu dùng đẻ chế t¿o MBA gồm có: o Thép kĩ thuật điện dẫn từ

Nhóm 3 Điện 1_ K1 HaUI Xuanhiep2509@gmail

####### 1/

dây quấn tiết diện tròn la tốt nhất h¡n nữa dây quấn kiểu này còn tiết kiệm nhất. MBA công suất nhỏ th°ßng dùng tiết diện hình chữ thập

Hình 7. Tiết diện hình chũ thập

M¿ch từ kiểu trụ có hai lo¿i chính:

o Lo¿i 3 trụ :lo¿i này chế t¿o dễ, tốn it thép sử dụng rộng dãi với máy công suất nhỏ.

Hình 8. Lo¿i m¿ch từ 3 trụ

2a 2b

2a

Nhóm 3 Điện 1_ K1 HaUI Xuanhiep2509@gmail

####### 1/

o Lo¿i 5 trụ: Lo¿i này giÁm đ°ợc chiều cao, āng dụng với các máy biến áp công suất lớn tới hàng trăm ngìn KVA.

Hình 9. M¿ch từ lo¿i 5 trụ

1. M¿ch từ kiểu bọc. M¿ch từ kiểu bọc thì lõi thép bọc lấy dây quấn, dây quấn thā cấp và dây quấn s¡ cấp đặt trung á trụ giữa. M¿ch từ khép kín bọc lấy dây quấn, trụ giữa gấp đôi 2 trục bên và từ thông nó cũng gấp đôi. Tuy nhiên lo¿i m¿ch từ này chịu lực kém nên ít đ°ợc dùng trong truyền tÁi điện lực.

Hình 10. D¿ng m¿ch từ kiểu bọc

̄u điểm: Dễ chế t¿o, tiết kiệm trọng l°ợng thép, āng dụng với MBA công suất vừa và nhỏ.

Nhóm 3 Điện 1_ K1 HaUI Xuanhiep2509@gmail

####### 1/

5. Cách phân bố cußn dây MBA theo hình dáng mạch từ. Trong quá trình thiết kế máy biến áp ta có thể bố trí cuộng dây theo hai lo¿i nh° sau: Đồng trục đ¡n giÁn, đồng trục phân tán, đồng trục xen kẽ, dây quấn xen kẽ o Dây quấn đồng trục: Dây HA đặt bên trong, dây CA đặt bên ngoài nh° vậy dễ cách điện cho dây quấn cao áp h¡n. Dây quấn th°ßng quấn sang trái, quấn HA đồng trục từng vòng liên tục, dây cao thế phân thành bánh dây, á gi°a có khe há làm mát.

Hình 13. Dây quấn đồng trục đ¡n giÁn

vn : dây CA nn : dây HA o Dây quấn phân tán[ hai lần đồng trục]: dùng đẻ giÁm điện áp ngắn m¿ch

Hình 14. Dây quấn phân tán

vn vn nn

nn vn nn

Nhóm 3 Điện 1_ K1 HaUI Xuanhiep2509@gmail

####### 1/

VI. Xác định hình dáng chā y¿u MBA.

Hình 15. Các kích th°ớc chÿ yếu MBA

1. Chọn thông số c¡ bÁn cho máy biến áp Xác định tham số để tình kích th°ớc chÿ yếu. o Ta có: 813,836'. 3

21 ][ 4 4 Sk P aa cm

Trong đó k=0 [ theo bÁng 13] o Vậy chiều rộng quy đổi từ tr°ßng tÁn:

aR= a 12 + [a 1 +a 2 ]/3 = 2,7 +1=4,513cm trong đó theo phụ lục XIV -2 đ°ợc a 12 =2,7cm, lo=7,5cm, a 22 =2cm, ut=80kV, và a0l=1,5cm với Ut =5kV. Điện áp ngắn m¿ch tác dụng :