Trường ĐHSPKT Vinh -   - Đồ Án Máy Điện LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật.Đã có nhiều nhà máy xí nghiệp có công nghệ cao hiện đại,vì vậy cần phải có một hệ thông điện ổn định, có chất lượng cao mới đáp ứng được nhu cầu sản xuất và đời sống.Để đảm bảo được điều đó thì phải nâng cao chất lượng truyền tải điện.Muốn làm được điều này thì chúng ta phải cải thiện và đổi mới các thiết bị kỹ thuật truyền tải điện.Máy biến áp điện lực là một bộ phận rất quan trọng trong hệ thống điện Ngày nay nhờ áp dụng được các tiến bộ của khoa học chúng ta đã từng bước cải tiến va chế tạo được máy biến áp điện lực đáp ứng được nhu cầu sản xuất khác nhau để tránh được tổn hao điện năng khi truyền tải cũng như giảm điện áp phù hợp với hộ tiêu thụ.Nhưng máy biến áp điện lực ngâm dầu 3 pha là loại máy được sử dụng rất phổ biến hiện nay do những ưu điểm vượt trội của loại máy này có được .Nhờ đó mà máy biến áp điện lực ngâm dầu ngày càng dược sử dụng rộng rãi hơn và không ngừng được cải tiến sao cho phục vụ nhu cầu của người sử dụng được tốt nhất . Bằng tất cả cố gắng của mình ,với những kiến thức nhận được từ thầy cô và sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo: Phan Đình Phương để em hoàn thành được đồ án môn học này. Nhiệm vụ thiết kế của em là: thiết kế máy biến áp ba pha Vinh ngày tháng năm2012 Sinh viên thực hiện Sv:Phan Đình Phương -1- Gvhd: Võ Tiến Dũng Trường ĐHSPKT Vinh -   - Đồ Án Máy Điện PHẦN I TỔNG QUAN VỀ MÁY BIẾN ÁP *** CHƯƠNG I KHáI NIÊM CHUNG Về THIếT Kế MáY BIếN áP ĐIệN LựC I .Vài nét về tình hình chế tạo máy biến áp hiện nay và quá trình phát triển của nó : Máy biến áp điện lực là một bộ phận rất quan trọng trong hệ thống điện.Việc tải điện năng đi xa từ nhà máy điện đến hộ tiêu thụ trong các hệ thống điện hiện nay cần phải có tối thiểu 4 đến 5 lần tăng giảm điện áp.Do đó tổng công suất đặt (haydung lượng)của máy biến áp gấp mấy lần công suất máy phát điện.Gần đây người ta tính ra rằng nó có thể gấp 6 đến 8 lần hoặc hơn nữa. Hiệu suất của máy biến áp thường rất lớn (98 ÷ 99%), nhưng do số lượng máy biến áp nhiều nên tổng tổn hao trong hệ thống rất đáng kể vì thế cần phải chú ý đến việc giảm các tổn hao , nhất là tổn hao không tải trong máy biến áp. Để giải quyết vấn đề này hiện nay trong ngành chế tạo máy biến áp người ta dùng chủ yếu là thép cán lạnh , có suất tổn hao và có công suất từ hoà thấp hay đặc biệt thấp , mặt khác còn thay đổi các kết cấu mạch từ một cách thích hợp như gép mối nghiêng các lá tôn trong lõi thép, thay các kết cấu bu lông và ép trụ và gồng xuyên lõi thép bằng các vành đai ép lá thép, về lắp ráp …Nhờ vậy mà công suất và điện áp của các máy biến áp đã được nâng lên rõ rệt. Hiện nay người ta đã chế tạo được máy biến áp có dung lượng trên 1000 MVA và điện áp đến 1150 kV. Hình 1.1.Sơ đồ mạng truyền tải điên đơn giản Đi đôi với việc tăng giới hạn trên về công suất , người ta cũng mở rộng thang công suất của máy biến áp làm thành nhiều dãy máy hơn so với trước kia để đáp ứng một cách rộng rãi với nhu cầu sử dụng và vận hành máy biến áp. Nhưng dãy máy biến áp mới ra Sv:Phan Đình Phương -1- Gvhd: Võ Tiến Dũng Máy phát điện Đường dây tải Máy biến áp giảm áp Hộ tiêu thụ Trường ĐHSPKT Vinh -   - Đồ Án Máy Điện đời từ những năm 80 trở lại đây đã dần dần thay thế những máy biến áp thuộc dãy cũ không còn thích hợp nữa. Để đảm bảo chất lượng điện và cung cấp điện liên tục, các máy biến áp điều chỉnh điện áp dưới tải ngày càng nhiều và chiếm tới khoảng 50% công suất tổng . Để tiết kiệm vật liệu tác dụng, vật liệu cách điện, vật liệu kết cấu và giảm trọng lượng kích thước máy , ngoài việc dùng máy biến áp tự ngẫu thay cho máy biến áp hai dây quấn người ta còn áp dụng các phương pháp làm lạnh tốt hơn, dùng những vật liệu kết cấu không từ tính nhẹ và bền hơn …Khuynh hướng dùng dây nhôm thay cho dây đồng cũng đang phát triển. Các máy biến áp cỡ lớn và trung bình thường sản xuất loại ba pha ghép thành tổ biến áp ba pha để thuận tiện trong việc chuyên chở . Ngoài máy biến áp dùng trong truyền tải điện năng, còn có nhiều loại máy biến áp dùng trong nhiều ngành chuyên môn khác như : Biến áp lò điện dùng trong luyện kim, yêu cầu dòng thứ cấp lớn đến hàng vạn ampe; Biến áp nhiều pha dùng để chỉnh lưu ra dòng một chiều ;Biến áp chống nổ dùng trong hầm mỏ;Biến áp đo lường; biến áp thí nghiệm ; Biến áp hàn điện … Khuynh hướng phát triển của máy biến áp hiện nay là thiết kế chế tạo những máy biến áp có dung lượng thật lớn, điện áp thật cao, dùng nguyên liệu mới để giảm trọng lượng và kích thước máy. Về vật liệu hiện nay đã dùng loại thép cán lạnh không những có từ tính tốt mà tổn hao sắt lại ít do đó nâng cao được hiệu suất của máy biến áp. Khuynh hướng dùng dây nhôm thay dây đồng vừa tiết kiệm được dây đồng vừa giảm được trọng lượng máy cũng đang phát triển. ở nước ta ngành chế tạo máy biến áp đã ra đời ngay từ ngày hoà bình lập lại. Đến nay chúng ta đã sản xuất được một khối lượng máy biến áp khá lớn và nhiều chủng loại khác nhau phục vụ cho nhiều ngành sản xuất ở trong nước và xuất khẩu. II .Sử dụng vật liệu mới trong việc chế tạo : Quá trình phát triển sản xuất máy biến áp liên quan chặt chẽ với những tiến bộ trong việc sản xuất các vật liệu dẫn điện, dẫn từ và vật liệu cách điện.Các nhà sản xuất đã sản xuất ra các vật liệu mới có tính năng ngày càng hoàn thiện hơn.Nhằm mục đích cải thiện các đăc tính của máy biến áp như tổn hao năng lượng , kích thước, trọng lượng và tăng độ tin cậy của nó. Khuynh hướng chung thường là những vật liệu quý hiếm thay thế bằng những vật liệu dễ kiếm . Sv:Phan Đình Phương -1- Gvhd: Võ Tiến Dũng Trường ĐHSPKT Vinh -   - Đồ Án Máy Điện Vật liệu dùng trong máy biến áp thường có 3 loại: - Vât liệu tác dụng dùng để dẫn điện như dây quấn, dẫn từ như lõi thép . - Vật liệu cách điện để cách điện các cuộn dây hay các bộ phận khác như các tông cách điện, sứ, dầu máy biến áp … - Vật liệu kết cấu dùng để giữ, bảo vệ biến áp như xà ép, bulông, vỏ máy… Vật liệu quan trọng trước tiên trong ngành chế tạo biến áp là lá tôn silíc .Trước đây lá thép máy biến áp dùng chủ yếu tôn cán nóng , chất lượng loại tôn này tuy đã được cải biến nhưng suất tổn hao vẫn cao .Từ năm 50 trở lại ây đã xuất hiện tôn cán lạnh có tính dẫn từ định hướng , do đó suất tổn hao giảm nhỏ đến 2 ÷ 2,5lần so với tôn cán nóng , độ từ thẩm thay đổi rất ít theo thời gian , từ đó mà giảm được tổn hao trong máy , giảm được trọng lượng và kích thước máy Vật liệu tác dụng thứ hai của máy biến áp là kim loai làm dây quấn.Trong nhiều năm đồng vẫn là kim loại duy nhất dùng để chế tạo dây quấn mà không có thay đổi gì .Vì như chúng ta đã biết đồng có điện trở suất nhỏ, dẫn điện tốt, dễ gia công , đảm bảo độ bền cơ, điện …tốt. Gần đây người ta đã dùng nhôm thay đồng làm dây quấn.Nhôm có ưu điểm nhẹ, dễ kiếm hơn, rẻ hơn, Nhưng tất nhiên có nhược điểm là điên trở suất lớn hơn, do đó dẫn điện kém hơn, độ bền cơ cũng kém hơn và rất khó khăn trong việc hàn nối.Khi dùng nhôm thay đồng, để đảm bảo được một công suất tương đương thì thể tích nhôm tăng lên, chi phí cho công việc chế tạo dây quấn, chi phí về vật liệu cách điện, sơn tẩm …tăng lên. Nhưng chi phí đó tăng lên thì bù lại bởi giá thành dây nhôm rẻ hơn nên gía thành toàn bộ của máy biến áp thực tế cũng không khác nhau là bao nhiều . Về vật liệu cách điện thì phần lớn các máy biến áp đều dùng dây quấn có cách điện bằng giấy cáp thuộc cách điện cấp thứ A có nhiệt độ giớ hạn cho phép là +105 0 C với chiều dày cách điện cả hai phía là 0,45 đên 0,5 mm.Viêc dùng dây dẫn có cấp cách điên cao hơn (E,B,F, ) không có ý nghĩa nhiều lắm vì nhiệt độ cho phép của dây quấn máy biến áp được quyết định không chỉ ở cấp cách điện của vật liệu cách điện mà còn ở cả nhiệt độ cho phép của dầu ngâm dây quấn. Một loại cách điện hay dùng bọc dây dẫn là men cách điện (êmay).Việc thay cách điện bọc từ dây cáp sang trang men không nhưng làm cho lớp cách điên mỏng hơn , độ bền cơ điện tốt hơn mà còn có tác dụng làm giảm trong lượng dây quấn, lõi thép, tuy rằng dây tráng men có giá thành đắt hơn . III .Các kết cấu chính của máy biến áp : Sv:Phan Đình Phương -1- Gvhd: Võ Tiến Dũng Trường ĐHSPKT Vinh -   - Đồ Án Máy Điện Máy biến áp thường dùng các phần chính sau: Lõi sắt (hay còn gọi là mạch từ) và các kết cấu của nó, dây quấn, hệ thống làm lạnh và vỏ máy. Lõi thép làm vật liệu dẫn từ cho từ thông trong máy biến áp. Đồng thời làm khung để quấn dây. Lõi sắt gồm các lá thép Silic ghép lại được ép bằng xà ép và bu lông tạo thành khung máy biến áp. Trên đó còn bắt các giá đỡ đầu dây dẫn ra nối với các sức xuyên hoặc các ty để nắp máy… ở các máy biến áp dầu toàn bộ lõi sắt có quấn dây và các dây dẫn ra được ngâm trong thùng đựng dầu máy biến áp gọi là ruột máy. Các máy biến áp cỡ nhỏ, ruột máy gắn với nắp máy có thể nhấc ra khỏi thùng dầu xúc rửa, lắp ráp, sửa chữa. Với máy biến áp công suất 1000KVA trở lên 3.1. Lõi sắt và kết cấu của nó. Vì ruột máy rất nặng nên được bắt cố định với đáy thùng và lúc lắp ráp sửa chữa thì phải nâng vỏ thùng lên khỏi đáy và ruột máy. Lõi sắt gồm hai phần: trụ T và gông G. Trụ là phần lõi có lồng dây quấn, gông là phần lõi không có dây quấn dùng để khép mạch từ giữa các trụ. Sv:Phan Đình Phương -1- Gvhd: Võ Tiến Dũng Hình 1.2: Kết cấu mạch từ kiểu trụ a. Một pha b. Ba pha Trường ĐHSPKT Vinh -   - Đồ Án Máy Điện 3.2. Dây quấn. Dây quấn máy biến áp là bộ phận dùng để thu năng lượng vào và truyền tải năng lượng đi. Trong máy biến áp hai dây quấn có cuộn HA nối với lưới điện áp thấp và cuộn CA nối với lưới điện cao hơn. ở máy biến áp có 3 dây quấn ngoài hai dây quấn CA và HA còn có dây quấn thứ 3 với điện áp trung bình gọi la TA Có thể chia dây quấn biến áp thành kiểu chính : đồng tâm và xen kẽ 3.2.1 .Dây quấn đồng tâm : Cuộn hạ áp (HA) và cao áp(CA) , nếu có ba dây quấn thì có cuộn điện áp trung bình ký hiệu là TA là những hình ống đồng tâm đối với nhau.Chiều cao cua chúng nên thiết kế bằng nhau vì nếu không sẽ sinh ra lực chiều trục lớn(nhất là lúc ngắn mạch) có tác dụng ép hoặc đẩy gông từ hay cuộn dây không lợi về mặt kết cấu. Khi bố trí cuộn dây cuộn HA đặt trong, cuộn cao áp đặt ngoài (néu có cuôn TA thì đặt giữa cũng có thể đặt trong cùng ).Cuộn cao áp đặt ngoài sẽ đơn giản được việc rút đầu dây điều chỉnh cũng như giảm được kích thước rãnh cách điện giưa các cuộn dây và giưa cuôn dây với trụ sắt . Dây quấn đồng tâm dùng phổ biến trong các máy biến áp điện lực lõi sắt kiểu trụ Sv:Phan Đình Phương -1- Gvhd: Võ Tiến Dũng Hình 1.2. Kết cấu mạch từ kiểu bọc. a. Một pha; b. Ba pha Trường ĐHSPKT Vinh -   - Đồ Án Máy Điện 3.2.2. Dây quấn xen kẽ: Cuộn cao áp và hạ áp được cuốn thành từng bánh có chiều cao thấp và cuốn xen kẽ do đó giảm được lực dọc trục khi ngắn mạch , dây quấn xen kẽ có nhiều rãnh dầu ngang nên tản nhiệt tốt hơn nhưng về mặt cơ thì kém bền vững hơn so với dây quấn đồng tâm mặt khác kiểu dây quấn này có nhiều mối hàn giữa các bánh dây .Loại dây quấn này chủ yếu được dùng trong các máy biến áp lò điện hay trong một số máy biến áp khô để đảm bảo sự làm lạnh được tốt. 3.3. Hệ thống làm lạnh và vỏ máy : Khi máy biến áp làm việc, lõi sắt và dây quấn đều có tổn hao năng lượng làm cho máy biến áp nóng lên. Muốn máy biến áp làm việc được lâu dài phải tìm biện pháp giảm nhiệt độ của máy biến áp xuống tức là quá trình làm nguội máy biến áp. Có thể làm nguội bằng không khí tự nhiên hoặc bằng dầu máy biến áp. Máy biến áp dùng không khí để làm nguội gọi là máy biến áp khô, máy biến áp dùng dầu để làm nguội gọi là máy biến áp dầu. Hầu hết máy biến áp làm nguội bằng dầu bao quanh lõi thép và dây quấn sẽ nóng lên và truyền nhiệt ra ngoài vách thùng nhờ hiện tượng đối lưu. Nhiệt lượng từ vách thùng lại truyền ra không khí xung quanh bằng phương pháp đối lưu và bức xạ. Nhờ vậy mà hiệu ứng làm lạnh được tăng lên cho phép tăng tải điện từ đối với thép và dây quấn, tăng được công suất máy biến áp. Máy biến áp có công suất từ (10 – 16).10 3 KVA thường phải tăng cường làm nguội bằng sự đối lưu cưỡng bức bằng quạt gió. Để đảm bảo dầu trong máy luôn luôn đầy trong quá trình làm việc trên máy biến áp có 1 thùng dầu phụ hình trụ thường đặt nằm ngang với bình đầu chính bằng ống dẫn dầu. Tuỳ theo nhiệt độ của máy biến áp mà dầu giãn nở tự do trong bình dầu phụ, không ảnh hưởng đến lượng dầu máy biến áp. Vì vậy bình dầu phụ còn được gọi là bình dầu giãn nở. Sv:Phan Đình Phương -1- Gvhd: Võ Tiến Dũng Trường ĐHSPKT Vinh -   - Đồ Án Máy Điện Hình 1.3 .Thùng dầu kiểu ống Hình 1.4 .Thùng dầu có bộ tản nhiệt kiểu ống thẳng Trên nắp thùng còn các sứ để bắt các đầu dây dẫn ra nối với các dây quấn trong máy biến áp với lưới điện thiết bị đổi nói để chỉnh áp, thiết bị đo nhiệt độ biến áp, móc treo… mặt khác dầu máy biến áp ngoài tác dụng làm lạnh con người là một chất cách điện tốt, nhưng nhược điểm là dầu máy biến áp đồng thời cũng là vật liệu dễ cháy nên sinh ra hoả hoạn. Vì vậy trong nhiều trường hợp phải có thiết bị và biện pháp chống cháy thích hợp. IV .Nguyên lý làm việc cơ bản của máy biến áp : Nguyên lý làm việc của MBA dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ và sử dụng từ thông biến thiên của lõi thép sinh ra. Hinh 1.5 .Ký hiệu máy biến áp Các cuộn dấy sơ cấp và thứ cấp trong một MBA không có liên hệ với nhau về điện mà chỉ có liên hệ với nhau về từ. Sv:Phan Đình Phương -1- Gvhd: Võ Tiến Dũng Trường ĐHSPKT Vinh -   - Đồ Án Máy Điện Xét sơ dồ nguyên lý của một MBA1 pha. Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy biến áp Đây là sơ đồ MBA 1 pha 2 dây quấn, máy gồm có 2 cuộn dây. Cuộn sơ cấp có W1 vòng dây và có cuộn thứ cấp có W2 vòng dây được quấn trên lõi thép. Khi đặt một điện áp xoay chiều U1 vào dây cuốn sơ cấp trong đó sẽ có dòng điện i 1 . Trong lõi thép và sinh ra từ thông Φ móc vòng với cả hai cuộn dây sơ cấp và thứ cấp, cảm ứng ra các sức điện động e 1 và e 2 . ở cuộn sơ cấp có sức điện động sẽ sinh ra dòng điện i 2 đưa ra tải với điện áp là u 2 . Gỉa thiết điện áp xoay chiều đặt vào là một hàm số hình sin thì từ thông do nó sinh ra cũng là một hàm số hình sin. m Φ = Φ .sin t ω (1-1) Do đó theo định luật cảm ứng điện từ, sức điện động cảm ứng trong các dây quấn sơ cấp và thứ cấp là: m 1 1 1 1 m 1 dΦ sindΦ e = - w . = - w = - .w .Φ .cos t = 2 sin( ) dt dt 2 t E t ω π ω ω ω − (1-2) m 2 2 2 2 2 dΦ sindΦ e = - w . = - w . w . . .cos 2 sin( ) dt 2 m t t E t dt ω π ω ω ω = − Φ = − (1-3) Trong đó : 1 m 1 m 1 1 m .w .Φ 2π.f.w .Φ E = = =4,44.f.w .Φ 2 2 ω (1-4) 2 m 2 m 2 2 m .w .Φ 2π.f.w .Φ E = = =4,44.f.w .Φ 2 2 ω (1-5) Dựa vào các biểu thức (1-4)(1-5), người ta định nghĩa tỉ số biến đổi như sau : 1 1 2 2 E k = = E w w (1-6) Sv:Phan Đình Phương -1- Gvhd: Võ Tiến Dũng I 1 I 2 Z t W 11 11 1 W 2 U 1 U 2 Trường ĐHSPKT Vinh -   - Đồ Án Máy Điện Nếu không kể điện áp rơi trên các dây quấn thì có thể coi U 1 ≈ E 1 ;U 2 ≈ E 2 , do đó k được xem như là tỷ số điện áp giữa dây quấn 1và 2: 1 1 2 2 E U k= E U ≈ (1-7) V . Mục đích yêu cầu và nhiệm vụ. Để đảm bảo vê tính toán hợp lý tốn ít thời gian việc thiết kế máy biến áp sẽ lần lượt tiến hành theo thứ tự. 5.1. Xác định các đại lượng cơ bản. − Tính dòng điện pha, điện áp pha của dây quấn − Xác định điện áp thử của các dây quấn − Xác định các thành phần của được ngắn mạch 5.2. Tính toán các kích thước chủ yếu. − Chọn sơ đồ và kết cấu lõi sắt − Chọn loại và mã hiệu tôn silic cách điện của chúng. Chọn cường độ từ cảm lõi sắt − Chọn kết cấu và xác định các khoảng cách điện chút của cuộn dây − Tính toán sơ bộ máy biến áp chọn quan hệ của kích thước chủ yếu β theo trị số i 0 , P 0 , i n , P n đã cho. − Xác định đường kính trụ, chiều cao dây quấn. Tính toán sơ bộ lõi sắt 5.3. Tính toán dây quấn CA và HA − Chọn dây quấn CA và HA − Tính cuộn dây HA − Tính cuộn dây CA 5.4. Tính toán ngắn mạch. − Xác định tổn hao ngắn mạch − Tính toán điện áp ngắn mạch Sv:Phan Đình Phương -1- Gvhd: Võ Tiến Dũng [...]... trong, rónh du cú th gia dõy qun, cũn khi lm dõy qun CA ngoi, rónh u thng b trớ vo quóng 1/3 n 1/5 chiu dy cun dõy tớnh t trong ra ngoi Quấn bằng băng vải Màn chắn Tấm lót cách điện bằng giấy cáp Vành đệm bằng bìa cách điện Cách điện lớp Hỡnh 3.6: Cỏch in phn du ca dõy qun hỡnh ng nhiu lp Dõy qun cú th dựng mt si hay hai si chp li, nhng ớt khi dựng ti 4 si Khi dựng nhiu si cng khụng cn hoỏn v v trớ ca . Vinh -   - Đồ Án Máy Điện PHẦN II THIẾT KẾ *** CHƯƠNG II TÍNH TOÁN CÁC KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU CỦA MÁY BIẾN ÁP I. XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ CƠ BẢN : Hình vẽ :Kính thước cơ bản của máy biến áp ba. Trường ĐHSPKT Vinh -   - Đồ Án Máy Điện PHẦN I TỔNG QUAN VỀ MÁY BIẾN ÁP *** CHƯƠNG I KHáI NIÊM CHUNG Về THIếT Kế MáY BIếN áP ĐIệN LựC I .Vài nét về tình hình chế tạo máy biến áp hiện nay và quá. - Đồ Án Máy Điện Tính toán dây quấn máy biến áp I. các yêu cầu chung : Có thể chia làm hai loại 1. Yêu cầu vận hành: Gồm điện cơ và nhiệt a. Yêu cầu về điện Khi vận hành thường dây quấn máy