tiểu luận thiết kế máy biến áp điện lực ngâm dầu

§å ¸n m«n häc: thiÕt kÕ m¸y biÕn ¸p
Tiểu luận
Thiết kế Máy biến áp điện lực
ngâm dầu
1
§å ¸n m«n häc: thiÕt kÕ m¸y biÕn ¸p
LỜI NÓI ĐẦU
Đối với chuyên ngành Thiết bị điện - điện tử , Máy biến áp là một lĩnh vực
rất quan trọng. Chính vì vậy, thiết kế môn học Máy biến áp có mục đích giúp cho
sinh viên nắm được những bước cơ bản nhất trong việc tính toán kết cấu của một
Máy biến áp.
Dưới sự hướng dẫn của thầy Bùi Đức Hùng - giảng viên Bộ môn Thiết bị
điện - điện tử, em đã hoàn thành đồ án môn học của mình với đề tài Thiết kế Máy
biến áp điện lực ngâm dầu. Trong quá trình làm chắc chắn sẽ không tránh khỏi thiếu
sót, qua đó em mong thầy giáo và các bạn góp ý để đồ án được tốt hơn.
. S
P
= 250 kVA
. U
đm
= 6,3/0,4 kV
. I
0
% = 2%
. P
0
= 610 W
. U
K
% = 4
. P

k
= 4100 W
. Tổ nối dây Dy11
.Điều chỉnh 2x2,5%
2
§å ¸n m«n häc: thiÕt kÕ m¸y biÕn ¸p
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÁY BIẾN ÁP
A . Xác định các kích thước chủ yếu:

I. Xác định các đại lượng điện cơ bản:
1. Dung lượng một pha:

=
3
250
=S
f
83,33 kVA
Dung lượng trên mỗi trụ:

=
3
250
=S
t
83,33 kVA
2. Dòng điện dây định mức:
- Phía cao áp:

=

10.3,6.3
10.250
=
U.3
S
=I
3
3
1
p
f1
22,9 A
- Phía hạ áp:

=
400.3
10.250
=
U.3
S
=I
3
2
p
f2
360,8 A
3. Điện áp pha định mức:
- Phía cao áp:
U
d1

= U
f1
= 6,3 kV
- Phía hạ áp:
3
400
=
3
U
=U
2
2f
= 231 V
4. Điện áp thử nghiệm của dây quấn:
-
Dây quấn cao áp với U
1
= 6,3 kV → U
th
= 20 k V
-
Dây quấn hạ áp với U
2
= 0,4 kV → U
th
= 5 kV

II. Chọn các số liệu xuất phát và tính các kích thước chủ yếu:
1. Chiều rộng quy đổi của rãnh từ tản giữa dây quấn cao áp và hạ áp: với U
th1

= 20
kV, ta có a
12
= 1,2 cm; δ
12
= 4 mm. Trong rãnh a
12
ta dặt ống cách điện dày δ
12
= 4 mm.
Theo công thức:
3
§å ¸n m«n häc: thiÕt kÕ m¸y biÕn ¸p

4
'
P
21
S.k=
3
a+a

k là hệ số phụ thuộc dung lượng máy biến áp, tra bảng 13.1 ta được k = 0,45
thay vào ta được

4
4
'
P
21

33,83.45,0=S.k=
3
a+a
=1,51 cm
a
R
khoảng cách phụ thuộc kích thước hình học của dây quấn hạ áp và cao áp,
vậy:

71,2=51,1+2,1=
3
a+a
+a=a
21
12R
cm

2. Hệ số quy đổi từ trường: k
R
=0.95
3. Các thành phần điện áp ngắn mạch:
- Điện áp ngắn mạch tác dụng:

250.10
4100
=
S.10
P
=U
P

n
nr
=1,64%
- Điện áp ngắn mạch phản kháng:

64,1_4=U_U=U
222
nr
2
nnx
=3,65%
4. Ta chọn tôn cán lạnh mã hiệu 3405 có chiều dày 0,35mm. Lấy mật độ từ
thông trong trụ B
T
= 1,6T, hệ số k
G
= 1,02. ép trụ bằng nêm với ống Bakêlít, ép
gông bằng thép U không dùng bulông xuyên qua trụ và gông. Sử dụng lõi thép có
mối ghép nghiêng ở 4 góc và ba mối ép thẳng giữa trụ và gông. Theo bảng 13.2
với S
P
= 250 kVA ta chọn trụ có 6 bậc, số bậc thang của gông lấy nhỏ hơn trụ 1
bậc tức là ggông có 5 bậc, hệ số điền đầy k
d
=0,928; hệ số chêm kín k
c
= 0.93, nên
hệ số lợi dụng lõi sắt k
l
= k

d
.k
c
= 0,928.0,93=0,86.
Từ cảm trong gông B
G
= 1,6/1,02=1,57 T. Twf camr khe hở không khí ở mối
nối thẳng B”
r
= B
T
= 1,6 T, từ cảm ở mối nối xiên B’
K
= B
T
/
2
=1,6/
2
=1,13 T.
Tra bảng, ứng với từng giá trị mật độ từ cảm ta sẽ có suất tổn hao trong thép và
tổn hao từ hoá trong trụ:
. Suất tổn hao trong thép:
-Trong trụ
p
FeT
= 1,230 W/kg
-Trong gông
p
FeG

= 1,17 Ư/kg
. Tổn hao từ hoá
-Trong trụ
q
FeT
= 1,602 VA/kg
4
§å ¸n m«n häc: thiÕt kÕ m¸y biÕn ¸p
-Trong gông
q
FeG
= 1,486 VA/kg
-Trong khe hở không khí
+Nối thẳng q
K
”= 1,92 VA/cm
2
+Nối nghiêng q
K
’= 0,272 VA/cm
2
5. Các khoảng cách cách điện chính
. Giữa trụ và dây quấn hạ áp a
o1
= 5mm
. Giữa dây quấn hạ áp và dây quấn cao áp, a
12
= 1,2 cm
. ống cách điện giữa dây quấn cao áp và hạ áp, δ
12

= 0,4 cm
. Giữa các dây quấn hạ áp, a
22
= 2,2 cm
. Tấm chắn các pha δ
22
= 0,2 cm
. Giữa dây quấn cao áp đến gông, l
o
= 4 cm
. Phần đầu thừa của ống cách điện, l
d2
=3 cm
5. Các hằng số tính toán , với dây dẫn bằng đồng và điện áp dây quấn cao áp là
6,3 kV (bảng 13.5 và 13.6)
. a = d
12
/d = 1,36
. b = 2a
2
/d = 0,4
6. Hệ số tổn hao phụ, với công suất 250 kVA ta chọn k
f
= 0,94 (bảng 13.7)
7. Chọn β với dải biến thiên từ 1,2 đến 3,6, để xác định giá trị tối ưu của ta
phải tính các số liệu và các đặc tính cơ bản của m.b.a:
+
4
2
l

2
Tnx
RR
'
P
k.B.U.f
k.a.S
=A

04,14=
88,0.6,1.65,3.50
95,0.71,2.33,83
16=
4
22
+A
1
= 5,66.10
-2
.a.A
3
.k
l
= 5,66.10
-2
.1,36.14,04
3
.0,88 = 187 kg
+A
2

= 3,6.10
-2
.A
2
.k
l
.l
0
= 3,6.10
-2
.14,04
2
.0,88.4 = 25,1 kg
+B
1
= 2,4.10
-2
.k
l
.k
G
.A
3
.(a+b+e)
= 2,4.10
-2
.0,88.1,02.14,04
3
(1,36+0,4+0,411) = 129,43 kg
e = 0,411 đối với thang nhiều bậc

+ B
2
= 2,4.10
-2
.k
l
k
G
.A
2
.(a
12
+a
22
)
= 2,4.10
-2
.0,88.1,02.14,04
2
.(1,2+2,2) = 14,44 kg
+ C
1
=
2
nr
2
T
2
lf
2

P
dq
A.u.B.k.k
a.S
.K
=
82,188=
04,14.64,1.6,1.88,0.94,0
36,1.250
10.46,2
222
2
2
kg
5
§å ¸n m«n häc: thiÕt kÕ m¸y biÕn ¸p
+ M =
A.a
P
.k.k.k.10.2453,0
n
Rf
2
n
4-
trong đó:
k
n
=
)e+1.(

u
100
.41,1
nx
u
nr
u
n
π

=
)e+1.(
4
100
.41,1
65,3
64,1 π
= 43,84
M =
04,14.36,1
4100
.95,0.94,0.84,43.10.2543,0
24-
= 9,04 MPa
+ Trọng lượng tôn silic ở các góc của gông:

G
g
= 0,486.10
-2

.k
l
.k
G
.A
3
.x
3

= 0,486.10
-2
.0,88.1,02.14,04
3
.x
3
= 12,07x
3
kg
+ Tiết diện trụ lõi sắt:
S
T
= 0,785.k
l
.k
G
.A2.x
2

= 0,785.0,88.1,02.14,04
2

.x
2
= 139x
2

+ Tiết diện khe hở vuông góc:
S”
K
= S
T
= 139x
2

+ Tiết diện khe hở chéo
S’
K
= S
T
/
2
=98,29x
2

+ Tổn hao không tải, theo công thức 13-24:
P
0
= k’
f
.( p
T

.G
T
+ p
G
.G
G
) = 1,25.( 1,23.G
T
+ 1,17.G
G
)
= 1,538.G
T
+ 1,463.G
G
k’
f
hệ số tổn hao phụ trong sắt, tôn cán nguội lấy k’
f
= 1,25

+ Công suất từ hoá, theo công thức 13-26:
Q
0
= k”
f
.(Q
c
+ Q
f

+ Q
K
)
Trong đó:
. k”
f
hệ số xét đến sự phục hồi từ tính không hoàn toàn khi ủ lại lá tôn,
chọn k”
f
= 1,25
. Qc công suất từ hoá chung của trụ và gông
Q
c
= q
T
.G
T
+ q
G
.G
G
= 1,602.G
T
+ 1,486.G
G
. Q
f
Công suất từ hoá đối với góc có mối nối vuông góc
Q
f

= 40.q
T
.G
G
= 40.1,602.G
G
= 64,08.G
G
. Q
K
công suất từ hoá ở khe hở không khí nối giữa các lá thép
Q
K
= 3,2.q
K
.S
K
= 3,2.0,272.139x
2
= 120,9x
2
Vậy công suất từ hoá tổng là:
Q
0
= k”
f
.(Q
c
+ Q
f

+ Q
K
)
6
§å ¸n m«n häc: thiÕt kÕ m¸y biÕn ¸p
= 1,25.( 1,602.G
T
+ 1,486.G
G
+ 64,08.G
g
+ 120,9x
2
)
= 2.G
T
+ 2,972.G
G
+ 80,1.G
g
+ 151x
2
Lập bảng tính giá trị các tham số cơ bản ứng với từng giá trị của β biến thiên từ
1,2 đến 3,6;từ đó xác định được gía trị β tối ưu :

β
1,2 1,8 2,4 3,0 3,6
x=
4
β

1,047 1,16 1,25 1,32 1,38
x
2
=
2
4
β
1,095 1,34 1,55 1,73 1,90
x
3
=
3
4
β
1,15 1,55 1,93 2,28 2,62
A
1
/x = 187/x 178,67 161,44 150,24 142,09 135,76
A
2
.x
2
= 25,1.x
2
27,39 33,54 38,73 43,3 47,43
G
T
= A
1
/x +A

2
/x
2
206,05 194,99 188,97 185,39 183,19
B
1
.x
3
= 129,43x
3
148,41 201,15 249,59 295,06 338,29
B
2
.x
2
= 14,44x
2
15,82 19,37 22,37 25,01 27,40
G
G
= B
1
.x
3
+ B
2
.x
2
164,23 220,53 271,96 320,07 365,69
G

Fe
= G
T
+ G
G
370,28 415,51 460,93 505,46 548,89
G
g
= 12.07x
3
13,84 18,76 23,27 27,51 31,55
P
0
= 1,538.G
T
+ 1,463.G
G
557,17 662,52 688,52 753,39 816,75
Q
0
= 2.G
T
+ 2,972.G
G
+
80,1.G
g
+ 151x
2
2174,10

0
2750,43 3284,4
8
3787,8
1
4266,50
i
ox
= Q
0
/(10.S
P
) 0,87 1,10 1,31 1,52 1,71
G
dq
= C
1
/x
2
= 188,82/x
2
172,37 140,74 121,88 109,01 9,52
G
Cu
= 1,66.G
dq
286,14 233,63 202,33 180,97 165,20
K
CuFe
.G

Cu
= 2,21.G
Cu
632,35 516,31 447,14 399,93 365,09
C’
td
= G
Fe
+ k
CuFe
.G
Cu
1002,6 931,82 908,07 905,39 931,97
J=
dq
G.4,2
4100.94,0
3,05 3,38 3,63 3,84 4,02
σ
cp
= M.x
3
= 9,04.x
3
10,36 14,05 17,43 20,61 23,63
d = A.x
3
= 14,04.x 14,69 16,26 17,48 18,48 19,34
d
12

= a.d = 1,36.d 20,00 22,12 23,77 25,13 26,3
l = π.d
12
/β
52,29 38,58 31,10 26,30 22,94
2a
2
= b.d = 0,4.d 5,88 6,50 6,99 7,39 7,74
C= d
12
+ a
12
+ 2a
2
+ a
22
29,26 32,02 34,16 35,92 37,44
7
§å ¸n m«n häc: thiÕt kÕ m¸y biÕn ¸p
Ta sẽ thấy giá thành thấp nhất sẽ ứng với 3,6 ≥ β ≥3,0; nhưng với giới hạn P
0

= 610 W, ta sẽ lấy giá trị 2,4 ≥ β ≥1,2, tuơng ứng đường kính lõi sắt 16,26 ≥
d ≥ 14,69. Trong khoảng này tất cả các tham số đều đạt tiêu chuẩn.
Căn cứ vào đường kính lõi sắt tiêu chuẩn ta chọn giá trị d = 16 cm, lúc đó β =
1,69; x =
4
β
=
4

69,1
= 1,14
Tiết diện lõi sắt sơ bộ:
S
T
= 129.x
2
= 139.1,14
2
= 181 cm
2

Đường kính trung bình của rãnh dầu sơ bộ
d
12
= a.d = 1,36.16 = 21,76 cm
Chiều cao dây quấn sơ bộ
l =
69,1
76,21.
=
.d
12
π
β
π
=39,33 cm
Chiều cao trụ lõi sắt sơ bộ
l
T

= l + 2.l
0
= 39,33 + 2.4 = 47,33 cm
Khoảng cách giữa các trụ lõi sắt sơ bộ
C = d
12
+ a
12
+ 2a
2
+ a
22
= 21,76 + 1,2 + 0,4.16 + 2,2 = 31,56 cm
Điện áp của một vòng dây
u
v
= 4,44.f.B
T
.S
T
.10
-4
= 4,44.50.1,6.181.10
-4

= 6,43 V
Trọng lượng sắt sơ bộ :
G
Fe
= 407,18 kg

Trọng lượng đồng sơ bộ:
G
dq
= 145,29 kg
Mật độ dòng điện sơ bộ:
J = 3,32 A/mm
2
ỉng suất trong dây quấn:
σ
cp
= 13,39 Mpa
Tổn hao không tải
P
0
= 610,41 W
Dòng không tải %
I
0
% = 0,97

B. Tính toán dây quấn:

I. Dây quấn hạ áp:
1. Sức điện động của một vòng dây:
u
v
= 4,44.f.B
T
.S
T

.10
-4
= 4,44.50.1,6.181.10
-4

= 6,43 V
8
§å ¸n m«n häc: thiÕt kÕ m¸y biÕn ¸p
2. Số vòng dây trong một pha của dây quấn hạ áp:
w
1
=
43,6
231
=
u
U
v
1f
= 35,93 ≈ 36 vòng
Như vậy điện áp một vòng dây
u
v
=
36
231
=
w
U
1

1f
= 6,42 V
3. Mật độ dòng điện trung bình:
Theo công thức 13-18
J
cp
=
76,21.250
42,6.4100
.94,0.746,0=
d.S
u.P
.k.746,0
12p
vn
n

= 3,39 A/mm
2
4. Tiết diện vòng dây sơ bộ:
s
1
’ =
39,3
84,360
=
J
I
cp
1f

= 106,44 mm
2
Với điều kiện
S
P
= 250 kVA,
I
f1
= 360,84 A
U
đm
= 400 V
S
1
’ = 106,44 mm
2
Tra bảng XV, ta chọn kiểu dây quấn là kiểu quấn kép dây dẫn chữ nhật, do
công nghệ chế tạo đơn giản, rẻ, làm nguội tốt thích hợp với máy công suất nhỏ,
nhưng nó cũng có nhược điểm là độ bền cơ nhỏ, ta sẽ khắc phục nhược điểm này
trong quá trình chọn dây và thông số dây.
5. Số vòng dây của một lớp :
w
11
=
2
36
=
n
w
1

=18 vòng
n: Số lớp, vì quấn kép nên n = 2.
6. Chiều cao hướng trục của mỗi vòng dây:
h
v1
=
1+18
33,39
=
1+w
l
11
1
= 2,07 cm = 20,7 mm
7. Căn cứ vào h
v1
= 20,7 mm; tiết diện s
1
’ = 106,44 mm
2
, theo bảng VI.2, ta
chọn tiết diện mỗi vòng dây bao gồm 2 sợi chập song song, chia thành 2 lớp dây
(quấn ống kép ).

Kích thước dây hạ áp như sau:
PB – 2x
52,79x
5,20x6,4
02x1,4
8. Tiết diện thực của mỗi vòng dây

9
§å ¸n m«n häc: thiÕt kÕ m¸y biÕn ¸p
s
1
= 2x79,52= 159,04 mm
2
9. Mật độ dòng điện thực trong dây quấn
J
1
=
04,159
84,360
= 2,27 A/mm
2
10. Chiều cao tính toán của dây quấn hạ áp
l
1
= hv
1
.(w
11
+ 1) + 1 = 2,05.(18+1) = 39,95 cm
a
01
a
a
1
b’ b
a
11

11. Bề dày của dây quấn hạ áp
a
1
= 2.a’+a
11
a’: bề dày của 1 sợi dây, a’=4,6mm
a
11
: khoảng cách giữa hai lớp của dây quấn ống kép, chọn a
11
=5mm
a
1
= 2.4,6 +5 = 14,2 mm = 1,42 cm
12. Đường kính trong dây quấn hạ áp:
D
1
’ = d+2a
01
a
01
: 5mm = 0,5 cm; d= 16cm
D
1
’ = 16 +2.0,5 = 17 cm
13. Đường kính ngoài của dây quấn hạ áp:
D
1
” = D
1

’ + 2.a
1
a
1
= 1,42 cm, D
1
’ = 17 cm
D
1
” = 17+ 2.1,42 = 19,84 cm
14. Bề mặt làm lạnh của dây quấn hạ áp:
M
1
= t.k
K
.π.(D
1
’+D
1
’’
).l
1
.10
-4

t: số trụ tác dụng, t = 3
k
K
hệ số xét đến sự che khuất bề mặt của dây quấn, k
K

= 0,75
thay vào:
M
1
= 3.0,75.π.(17+19,84).39,95.10
-4
= 1,04 m
2
10
§å ¸n m«n häc: thiÕt kÕ m¸y biÕn ¸p
15. Trọng lượng đồng dây quấn hạ áp , theo công thức 13-76a
G
Cu1
=
5-
11
"
1
'
1
10.s.w.
2
D+D
.t.28
=
04,159.36.
2
84,19+17
.3.28
.10

-5
= 88,6 kg
II. Dây quấn cao áp
1. Chọn sơ đồ điều chỉnh điện áp, căn cứ vào công suất của máy biến áp là
250 kVA ta bố trí đoạn dây điều chỉnh nằm ở lớp ngoài cùng, mỗi lớp điều chỉnh
được bố trí thành hai nhóm trên dưới dây quấn nối tiếp với nhau và phân bố đều
trên toàn bộ chiều cao dây quấn nên không xuất hiện lực chiều trục.
Các đầu phân áp được cực của bộ đổi nối ba pha. Dòng làm viêc định mức
qua các tiếp điểm chính là dòng định mức của dây quấn cao áp bằng 22,9 A.
Điện áp lớn nhất đặt lên hai đầu tiếp điểm của bộ đổi nối là:
-
Điện áp làm việc U
lv
= 10%.U
f2
= 10%.6,3.10
3
= 630 V
-
Điện áp thử U
th
= 2.U
lv
Sơ đồ điều chỉnh điện áp


A x
5
x
4

x
3
x
2
x
1

12 12
12
54 12

12
12
12 12

11 lớp bình 2 lớp điều
thường chỉnh
11
§å ¸n m«n häc: thiÕt kÕ m¸y biÕn ¸p
2. Số vòng dây cuộn cao áp ứng với U
đm
w
2
=
231
10.3,6
.36=
U
U
.w

3
1f
2f
1

= 982 vòng
3. Điện áp ở một cấp điều chỉnh
∆u = 2,5%.U
2
= 2,5%.6,3.10
3
= 157,5 V
4. Số vòng dây cao áp ở một cấp điều chỉnh:
w
đc
=
42,6
5,157
u
v
U
=
Δ
≈ 24 vòng
5. Số vòng dây tương ứng trên các đầu phân áp

Điện áp Đầu dây Mức điều chỉnh Số vòng dây cao áp
6615,0 V X
1
+ 5% 982+2.24 = 1030 vòng

6457,5V X
2
+2,5% 982+1.24 = 1006 vòng
6300,0V X
3
0% 982 vòng
6142,5V X
4
-2,5% 982 – 1.24 = 958 vòng
5985,0V X
5
-5% 982-2.24=934 vòng
6. Mật độ dòng điện trong cuộn cao áp:
J
2
’

= 2J
cp
– J
1
= 2.3,39 – 2,27 = 4,51 A/mm
2
7. Tiết diện dây cao áp sơ bộ:
s
2
’ =
51,4
9,22
J

I
'
2
2f
=
= 5,08 mm
2
8. Căn cứ vào công suất máy biến áp 250 kVA, dòng I
f2
= 22,9 A, U
2
=6,3 kV,
s
2
’=5,08 mm
2
tra bảng XV ta chọn kết cấu dây quấn là kiểu hình ống nhiều lớp
tiết diện tròn, ưu diểm của phương pháp này là công nghệ chế tạo đơn giản,
nhưng nhược điểm là độ tản nhiệt kém và độ bền cơ thấp, nhưng với công suất
của máy nhỏ thì ta có thể khắc phục được những nhược điểm này trong khi chọn
lựa thông số dây quấn và kiểu cách tản nhiệt.

Theo bảng VI.1 họn dây dẫn tròn mã hiệu PTEV có quy cách như sau:

PTEV-2x
36,4;
46,2
36,2
9. Tiết diện thực của mỗi vòng dây,
s

2
= 2.4,36 = 8,72 mm
2
10.Mật độ dòng điện thực trong mỗi vòng dây
12
§å ¸n m«n häc: thiÕt kÕ m¸y biÕn ¸p
J
2
=
72,8
9,22
s
I
2
2f
=
= 2,62 A/mm
2
11. Số vòng dây trong một lớp:
w
12
=
1-
46.2.2
5,399
1-
d.n
l
'
22v

2
=
= 81vòng
Trong đó:
l
2
= l
1
= 39,95 cm = 399,5 mm
n
v2
là số sợi chập trong một vòng dây, n
v2
= 2
12. Số lớp của dây quấn:
n
12
=
81
1030
w
w
12
max2
=
= 13 vòng
13. Điện áp làm việc giữa hai lớp kề nhau
u
12
= 2.w

12
.u
v
= 2.81.6,42 = 1040,04 V
14. Căn cứ vào u
12
= 1040 V, ta chọn cách điện giữa các lớp của dây quấn hình
ống nhiều lớp, chiều dày cách điện là δ
12
=0,12 mm, số lớp giấy cách điện là 2
lớp.
15. Như trên đã đề cập nhược điểm chính của kiểu dây quấn này là toả nhiệt
kém, để đảm bảo điều kiện toả nhiệt tốt ta quấn nên que nêm.
Bố trí dây quấn như sau:
Lớp thứ nhất đến lớp thứ 11: 80.11 = 891 vòng
Lớp thứ 12: 54 + 2.12 =78 vòng
Lớp thứ 13: 6.12 = 72 vòng

Tổng cộng 1030 vòng
16. Chiều dày dây quấn cao áp
Theo công thức 13-54a
a
2
= d’.n
12
+ 2.δ
12
(n
12
-1)

=2,46.13 + 2.0,12.(13-2) + 5= 34,8 mm=3,48 cm
17. Đường kính trong của dây quấn cao áp
D
2
’ = D
1
” + 2.a
12

= 19,84 + 2.1,2 = 22,24 cm
18. Đường kính ngoài của dây quấn cao áp
D
2
” = D
2
’ + 2.a
2
= 22,24 + 2.3,48 = 29,2cm
19. Khoảng cách giữa hai trụ cạnh nhau
C = D
2
” + a
22

= 30,16 + 2,2 = 32,36 cm
20. Diện tích bề mặt làm lạnh của dây quấn
Dây quấn cao áp quấn trên nêm, nên theo công thức 13-59ab
13
§å ¸n m«n häc: thiÕt kÕ m¸y biÕn ¸p
M

2
= 1,5.t. k.π.(D
2
’+D
2
”).l
2
Trong đó: t số trụ tác dụng, t=3.
k là hệ số kể đến sự che khuất, ở đây ta lấy k = 0,88
M
2
= 1,5.3.0,88.π.( 22,24+ 30,21).39,95.10
-4
= 2,61 m
2
21. Trọng lượng dây quấn cao áp
G
Cu2
= 28.t.
5-
max22
"
2
'
2
10.w.s.
2
D+D
=
5-

10.72,8.1030.
2
2,29+24,22
.3.28
= 194kg
160 5 14,2 12 34,8 22

ử161 40
ử164
ử165 20
3
ử179,2
ử183,2
ử186,2
ử191,2
ử226
Sơ đồ bố trí quận dây và kích thước chính
của dây quấn hạ áp và cao áp

III. Tính toán các tham số ngắn mạch
A. Tổn hao
1. Tổn hao chính
14
§å ¸n m«n häc: thiÕt kÕ m¸y biÕn ¸p
- Tổn hao đồng trong dây quấn hạ áp
Theo công thức 13-75
P
Cu1
= 2,4.J
2

.G
Cu1
= 2,4.2,27
2
.88,6 = 1096 W
- Tổn hao đồng trong dây quấn cao áp
P
Cu2
= 2,4.J
2
.G
Cu2
G
Cu2
= 28.t.
5-
m®22
"
2
'
2
10.w.s.
2
D+D
=
5-
10.72,8.982.
2
2,29+24,22
.3.28

= 185 kg
P
Cu2
= 2,4.2,62
2
.185 = 3048 W
2. Tổn hao phụ trong dây quấn

Tổn hao phụ thường được ghép nối vào tổn hao chính thông qua hệ số tổn hao k
f
, do đó việc xác định tổn hao phụ chính là xác định hệ số k
f

- Với dây quấn hạ áp tiết diện dây chữ nhật, theo công thức 13-78b
k
f
= 1+0,095β
2
.a
4
.n
2
+ β =
R
1
k.
l
m.b
. b chiều cao một vòng dây, b=20,5 mm
. m là số thanh dẫn của dây quấn song song với từ thông tản, m = 18

. l chiều cao toàn bộ dây quấn, l = 39,95 cm
. k
R
hệ số Ragovski, lấy k
R
= 0,95
→ β =
95,0.
95,39
18.05,2
= 0,88 →β
2
= 0,77
+ a kích thước dây dẫn thẳng góc với từ thông tản, a = 4,1 mm
+ n số thanh dẫn của thanh dẫn song song với từ thông tản, n=4.
Vậy: k
f1
= 1+0,095β
2
.a
4
.n
2
= 1+0,095.0,77.(0,41)
4
. 4
2
= 1,033
-Với dây dẫn cao áp tiết diện tròn, theo công thức 13-78c
k

f
= 1+0,044β
2
.d
4
.n
2
+ β =
R
2
k.
l
m.d
. d đường kính trần của dây quấn cao áp, d=2,36 cm
. m số thanh dẫn của dây quấn song song với từ trường tản, m=81
. l
2
= 39,95 cm
15
§å ¸n m«n häc: thiÕt kÕ m¸y biÕn ¸p
→ β =
95,0.
95,39
81.236,0
= 0,45→β
2
= 0,21
+ n số thanh dẫn của dây quấn vuông góc với từ trường tản, n=13
Vậy: k
f2

= 1+0,044.β
2
.a
4
.n
2
= 1+0,095.0,21.(0,236)
4
. 13
2
= 1,0048
A) B)
Hình vẽ dùng để xác định tổn hao đồng trong các dây quấn
A) Với dây đồng chữ nhật
B) Với dây đồng tròn
3. Tổn hao phụ trong dây dẫn ra
P
Cur
= 2,4.J
2
.G
Cur
+J: mật độ dòng điện của dây quấn
+G
Cur
khối lượng đồng dây dẫn ra của dây quấn
G
Cur
= l
r

.s
r
.γ
Cu
.l
r
: chiều dài dây dẫn ra
.γ khối lượng riêng của đồng, γ
Cu
=8900kg/m
3
- Khối lượng đồng dây dẫn ra của dây quấn hạ áp
G
Cur1
= l
r1
.s
r1
.γ
Cu
Vì hạ áp đấu Y nên l
r1
= 7,5 l
1
= 7,5.39,95 = 299,63 cm
G
Cur1
= 299,63.159,04.8900.10
-8
= 4,24 kg

Vậy tổn hao dây dẫn ra hạ áp là:
P
Cur1
= 2,4.2,27
2
.4,24 = 52,44 W
- Khối lượng đồng dây dẫn ra của dây quấn cao áp
G
Cur2
= l
r2
.s
r2
.γ
Cu
Vì cao áp đấu ∆ nên l
r1
= 14.l
1
= 14.39,95 = 559,3 cm
G
Cur2
=559,3.8,72.8900.10
-8
= 0,434 kg
Vậy tổn hao dây dẫn ra cao áp là:
P
Cur2
= 2,4.2,62
2

.0,434 = 7,15 W
4. Tổn hao trong thùng dầu và các chi tiết bằng kim loại khác
Tổn hao này rất khó xác định chính xác, theo công thức gần đúng 13-80:
P
t
= 10.k.S
P

là hệ số tỉ lệ, tra bảng 13.18 với công suất máy 250 kVA, ta được k=0,012
P
t
= 10.0,012.250 = 30 W
16
§å ¸n m«n häc: thiÕt kÕ m¸y biÕn ¸p
5. Tổng tổn hao ngắn mạch toàn phần
ΣP
n
= k
f1
.P
Cu1
+ k
f2
.P
Cu2
+ P
Cur1
+ P
Cur2
+ P

t

Thay số vào ta được
ΣP
n
= 1,033.1096 +1,0048.3048 +52,44 +7,15+30
= 4284,39 W
So sánh với số liệu đầu bài đã cho P
n
= 4100, sai số
∆% =
%100.
P
P-P
n
nn
Σ
=
%100.
4100
4100-39,4284
= 4,5% < 5%, như vậy coi
như công suất tổn hao ngắn mạch của máy là đạt yêu cầu.
B. Điện áp ngắn mạch
1. Thành phần tác dụng
Theo công thức 13-81
u
nr
=
P

'
n
S.10
P
P
n
’
Tổn hao trong điều kiện làm việc bình thường của dây quấn cao áp ở chế độ
làm việc định mức.
P
n
’
= P
n
– 0,05.(P
dq2
.k
f2
)
= 4284,39 – 0,05.(1,0048.3048) = 4131,26 W
u
nr
=
%65,1=
10.250
4131,26
=
S.10
P
P

'
n
2. Thành phần phản kháng
u
nx
=
R
2
v
RP
k.
u
a 'S.f.92,7 β

Trong đó
+ f là tần số công nghiệp, f =50 Hz
+ S’
P
Công suất trên mỗi trụ của máy, S’
P
= 83,33 kVA
+ β hệ số hình dáng của máy biến áp, β =1,69
+ a
R
=
3
48,3+42,1
+2,1=
3
a+a

+a
21
12

= 2,83
+ k
R
= 1-ú(1-
σ
1
-
e
) =
σ =
95,39.
48,342,12,1
l.
aaa
2112
π
++
=
π
++
= 0,048
thay giá trị σ vào
17
§å ¸n m«n häc: thiÕt kÕ m¸y biÕn ¸p
k
R

= 1- 0,048.(1-
0,048
1
-
e
) = 0,952
vậy giá trị của thành phần phản kháng
u
nx
=
3
2
10.952,0.
42,6
83,2.69,1.33,83.50.92,7
−
= 3,65%
3. Điện áp ngắn mạch toàn phần
u
n
=
222
nx
2
nr
65,365,1uu +=+
= 4 %
Như vậy kết quả tính toán trùng luôn với dữ liệu ban đầu đã cho u
n
=4%, kết

luận điện áp ngắn mạch với các thông số đã chọn là thoả mãn yêu cầu đề bài.

III. Tính toán lực cơ học khi ngắn mạch
1. Dòng điện ngắn mạch xác lập, theo công thức13-85
I
n
=
A5,572
4
100
.9,22
u
100
.I
n
m
==

2. Dòng ngắn mạch cực đại tức thời
Theo công thức 13-86
i
max
=
2
.k
M
.I
n
k
M

= (1+
)e1()e
65,3
65,1.
u
u.
nx
nr
π
−
π
−
+=
= 1,24
i
max
=
2
.1,24.
5,572
=1004 A
3. Lực hướng kính
Theo công thức 13-87
F
K
= 0,628.( i
max
.w
2
)

2
.β.k
R
.10
-6
= 0,627.(1004.982)
2
.1,69.0,952.10
-6
=0,98 Mpa
4. ứng suất nén
- Trong dây quấn hạ áp
σ
nrHA
=
11
K
w.s.2
F
π
=
6
6
6
10.26,27
36.10.04,159.2
10.98,0
=
π
−

Pa = 27,26 Mpa
Với dây đồng : 30MPa≥σ
cp
≥ 18Mpa, như vậy giá trị σ
nrHA
tính được thoả
mãn điều kiện về ứng suất nén ngang trục(do lực hướng kính gây nên).
- Trong dây quấn cao áp
18
§å ¸n m«n häc: thiÕt kÕ m¸y biÕn ¸p
σ
nrCA
=
22
K
w.s.2
F
π
=
982.10.72,8.2
10.98,0
6
6
−
π
= 18,23 Mpa
Với dây đồng : 30MPa≥σ
cp
≥ 18Mpa, như vậy giá trị σ
nrCA

tính được cũng
thoả mãn điều kiện về ứng suất nén ngang trục(do lực hướng kính gây nên).
5. Lực chiều trục
Do hai dây quấn có cùng chiều cao các vòng dây phân bố đều trên toàn bộ
chiều cao nên F”
t
= 0.
Có
F’
t
=
l.2
a
.F
R
K
= 0,98.10
6
.
95,39.2
83,2
=34731 N
6. ứng suất do lực chiều trục gây nên
áp dụng công thức 13-92 cho dây quấn không có nêm chèm giữa các bánh
dây, ở đây ta chỉ xét riêng cho dây quấn hạ áp do nó phải chịu lực ép điện động
cực đại trong dây quấn, nếu nó thoả mãn thì điều kiện này đối với dây cao áp
cung thoả mãn.
σ
n
=

)aa.(
2
DD
.
F
111
"
1
'
1
'
t
−
+
π
σ
n
=
22
10).5,042,1.(10.
2
19,8417
.
34731
−−
−
+
π
=6,52 Mpa
mức cho phép 18÷20 Mpa ≥ σ

ncp

như vậy σ
n
thoả mãn điều kiện về ứng suất nén dọc trục.

IV. Tính toán cuối cùng về hệ thống mạch từ
1. Chọn kết cấu lõi thép
Ta chọn kết cấu lõi thép kiểu 3 pha năm trụ, có 4 mỗi nối nghiêng ở 4 góc, lá
thép xen kẽ, lá thép là loại tôn cán lạnh 3405 có chiều dày 0,35 mm ưu điểm của
loại thép kĩ thuật điện này là suất tổn hao trong lõi thép nhỏ, công suất từ hoá
nhỏ, độ từ thẩm theo chiều cán lớn nên có thể làm giảm tổn hao sắt của m.b.a
Trụ ép bằng băng đai thuỷ tinh không có tấm sắt đệm. Gông ép bằng xà ép gông,
19
§å ¸n m«n häc: thiÕt kÕ m¸y biÕn ¸p
Kích thước tập lá thép như hình vẽ, như trên đã chọn tiết diện trụ có 8 bậc và tiết
diện gông có 5 bậc, ta có bảng tổng hợp kết quả tính toán trụ và gông như sau:
Thứ tự lá thép Trụ Gông
1 15,36x2,24 15,36x2,24
2 14,08x1,575 14,08x1,575
3 12,48x1,19 12,48x1,19
4 10,08x1,225 10,08x1,225
5 7,52x0,84 7,52x0,84
6 4,48x0,595 7,52x0,84
2. Tổng chiều dày các lá thép của tiết diện trụ (hoặc gông)
b
T
= 2.( 2,24 + 1,575 + 1,19 + 1,225 + 0,84 + 0,595 )
= 15,33 cm
3. Tổng tiết diện các bậc trong trụ

Theo công thức 13-94
S
bT
= 2.Σa
T
.b
T

=2.(15,36.2,24+14,08.1,575+1,19.12,48+10,08.1,225+7,52.0.84 +
4.48.0,595)
= 185,53 cm
2

4. Tiết diện có ích của trụ
S
T
= S
bT
.kc
k
C
hệ số ép chặt, ở đây ta lấy k
C
= 0,98
S
T
= 0,98.185,53 = 181,82 cm
2
5. Tiết diện bậc thang của gông
Theo công thức 13-95

S’
G
= k
G
.S
bT
k
G
= 1,02
S’
G
= 1,02.185,53 =189,24 cm
2
6. Tiết diện có ích của gông
S
G
= k
C
.S
G
’
= 0,98.189,24 = 185,46 cm
2

20
§å ¸n m«n häc: thiÕt kÕ m¸y biÕn ¸p
7. Chiều dày gông, ta lấy chiều dày gông bằng chiều dày trụ, tức là bằng tổng
chiều dày các lá thép của tiết diện trụ.
b
G

= b
T
= 15,33 cm
8. Tổng số lá thép trong trụ và gông
theo công thức 13-96
n
1
=
T
T
b
δ
;
δ
T
là chiều dày mỗi lá thép, δ
T
= 0,35 mm thay vào biểu thức trên
n
1
=
T
T
b
δ
=
35,0
3,153
= 438 lá thép
9. Chiều cao trụ sắt

theo công thức 13-99
l
T
= l + l
0
+ l
0
’
l là chiều cao dây quấn, l = 39,95 cm
l
0
là khoảng cách từ gông trên
l
0
’ là khoảng cách từ dây quấn đến gông dưới
Ta lấy l
0
= l
0
’ = 4cm
l
T
= 39,95 + 2.4 = 47,95 cm
10. Khoảng cách giữa hai tâm trụ
theo công thức 13-100
C = D
2
” + a
22

D
2
” là đường kính ngoài cuộn cao áp, D
2
”=30,21 cm
a
22
là khoảng cách giữa 2 cuộn cao áp, a
22
=2,2 cm
C = 30,21+2,2 =32,41 cm
Lấy tròn C = 32,5 cm
11. Trọng lượng sắt góc mạch từ chung cho gông và trụ
theo công thức 13-101
G
g
= 2.k
C
. γ
Fe
.10
-6
.Σ(a
iT
.a
iG
.b
iT
)
= 2.0,98.7650.10

-6
.(15,36.15,36.2,24+14,08.14,08.1,575+
+12,48.12,48.1,19+10,08.10,08.1,225+7,52.7,52.0,84+4,48.7,52.0,595)
= 18,26 kg
12. Trọng lượng sắt trong gông
Theo công thức 13-102
G
G
= G
G
’ + G
G
”
- G
G
’ là trọng lượng phần thẳng nằm giữa hai trụ biên,
theo 13-102a
G
G
’ = 2.(t-1).C.S
G
.γ
Fe
.10
-6
21
§å ¸n m«n häc: thiÕt kÕ m¸y biÕn ¸p
γ
Fe
trọng lượng riêng của thép, γ

Fe
=7650 kg/m
3

G
G
’ = 2.(3-1).32,5.185,46.7650.10
-6
= 184,44 kg
- G
G
” là trọng lượng phần gông ở các góc
theo công thức 13-102b
G
G
” = 4.
2
G
g
= 2.G
g

= 2.18,26 = 36,52 kg
vậy trọng lượng của gông là
G
G
= G
G
’ + G
G

”
= 184,44 + 36,52 = 220,96 kg
13. Trọng lượng sắt trong trụ là
theo công thức 13-103
G
T
= G
T
’ + G
T
”
Trong đó
- G
T
’ là trọng lượng phần trụ nằm trong chiều cao cửa sổ mạch từ
theo công thức 13-103a
G
T
’ = t.l
T
.S
T
.γ
Fe
.10
-6
= 3.47,95.181,82.7650.10
-6
= 200 kg
- G

T
” là trọng lượng phần trụ nối với gông
theo công thức 13-103b
G
T
” = t.(a
1G
.S
T
.γ
Fe
.10
-6
– G
g
)
= 3.(15,36.181,82.7650.10
-6
- 18,26)
= 9,31 kg
Vậy trọng lượng của sắt trong trụ là:
G
T
= G
T
’ + G
T
”
= 200 + 9,31 =209,3 kg
14. Trọng lượng sắt toàn bộ trong trụ và gông

G
Fe
= G
G
+ G
T

= 220,96 + 209,3 = 430,26 kg

V. Tính tổn hao không tải và dòng điện không tải
1. Lõi thép làm bằng tôn silíc mã hiệu 3405, dày 0,35 mm, hệ số tự cảm trong
trụ và gông là:
- Hệ số tự cảm trong trụ
22
§å ¸n m«n häc: thiÕt kÕ m¸y biÕn ¸p
B
T
=
T
v
S.f.44,4
u
=
4
10.82,181.50.44,4
42,6
−

= 1,59 T
- Hệ số tự cảm trong gông là

B
T
=
G
v
S.f.44,4
u
=
4
10.46,185.50.44,4
42,6
−
=1,56 T
2. Theo bảng V.13 với tôn 3405, dày 0,35 mm ta tra được các suất tổn hao sắt
tương ứng
B
T
= 1,59 T → p
T
= 1,135 W/kg, p
kT
= 0,0375 W/cm
2
B
G
= 1,56 T → p
G
= 1,074 W/kg, p
kG
= 0,0375 W/cm

2
Hệ số từ cảm trong rãnh nghiêng là
B
kn
=
2
59,1
2
B
T
=
= 1,124 T
Với B
kn
ta tra được p
kn
= 0,0333W/cm
2
3. Các hệ số xét đến sự gia tăng tổn hao trong gông và trụ.
Kết cấu mạch từ đã chọn là mạch từ phẳng nối nghiêng ở 4 góc, trụ giữa nối
thẳng, lõi sắt không đột lỗ, tôn có ủ sau khi cắt, có khử bavia, từ đó tra được các
hệ số:
-
k
1
’ hệ số gia tăng tổn hao và công suất từ hoá ở gông dô hình dáng tiết
diện gông ảnh hưởng đến sự phân bố từ cảm trong trụ và gông, vì số
bậc thang của trụ và gông gần bằng nhau (n
G
= 5, n

T
= 5) nên lấy k
1
’ =
1.
-
k
2
’ là hệ số do tháo lắp gông để lồng dây vào trụ làm chất lượng lá thép
giảm xuống, với công suất máy 250 kVA ta lấy k
2
’ = 1,01.
-
k
3
’ là hệ số do ép trụ để đai, hệ số này phụ thuộc vào công suất máy,
với công suất máy 250 kVA ta lấy k
3
’ = 1,02.
-
k
4
’ là hệ số do cắt dập lá tôn thành tấm, với tôn có ủ k
4
’ =1
-
k
5
’ là hệ số do việc xử lý bavia, tôn có ủ lại, có khử bavia, lấy k
5

’=1
-
k
6
’ là hệ số xét đến các góc nối của mạch từ , tra phụ lục XVIII ta được
k
6
’ = 10,45.
23
§å ¸n m«n häc: thiÕt kÕ m¸y biÕn ¸p
4. Tổn hao không tải
P
0
= k
4
’.k
5
’.[ p
T
.G
T
+ p
G
.(G
G
’ - 4G
g
) +
g
'

6
GT
G.k.
2
pp +
+
Σp
K
.n
K
.S
K
].k
1
’.k
2
’.k
3
’
Thay số vào biểu thức:
P
0
=1.1.[1,135.209,31+1,074.(184,44– 4.18,26)+
26,18.45,10.
2
074,1135,1 +
+
4.0,0333.257,13+1.181,82.0,06375+2.185,46.0,0615]
= 655,8 W
Độ sai lệch so với thông số đã cho là:

∆ =
%100.
610
6108,655 −
= 7,52 %
4. Theo bảng V.13 với tôn 3405, dày 0,35 mm ta tra được các suất từ hoá
tương ứng
B
T
= 1,59 T → q
T
= 1,564 W/kg, q
kT
= 2,28 W/cm
2
B
G
= 1,56 T → q
G
= 1,447 W/kg, q
kG
= 2,07 W/cm
2
Hệ số từ cảm trong rãnh nghiêng là
B
kn
=
2
59,1
2

B
T
=
= 1,124 T
Với B
kn
ta tra được q
kn
= 0,142W/cm
2
5. Các hệ số xét đến sự gia tăng công suất từ hóa trong gông và trụ.
Đối với kết cấu lõi thép và công nghệ chế tạo mạch từ có ủ lá tôn sau khi cắt
dập ta tra được các hệ số sau:
-
k
1
” hệ số gia tăng công suất từ hoá ở gông do hình dáng tiết diện gông
ảnh hưởng đến sự phân bố từ cảm trong trụ và gông, vì số bậc thang
của trụ và gông gần bằng nhau (n
G
= 5, n
T
= 5) nên lấy k
1
” = 1.
-
k
2
” là hệ số do tháo lắp gông để lồng dây vào trụ làm chất lượng lá thép
giảm xuống, với công suất máy 250 kVA ta lấy k

2
” = 1,01.
-
k
3
” là hệ số do ép trụ để đai, hệ số này phụ thuộc vào công suất máy,
với công suất máy 250 kVA ta lấy k
3
” = 1,02.
-
k
4
” là hệ số do cắt dập lá tôn thành tấm, với tôn có ủ k
4
” =1,18
-
k
5
” là hệ số do việc xử lý bavia, tôn có ủ lại, có khử bavia, lấy k
5
”=1
-
k
6
” là hệ số xét đến các góc nối của mạch từ , tra phụ lục XVIII ta
được k
6
” = 41,775.
6. Công suất từ hoá không tải:
Theo công thức 13-106 ta có

24
§å ¸n m«n häc: thiÕt kÕ m¸y biÕn ¸p
Q
0
= {k
4
”.k
5
”.[ q
T
.G
T
+ q
G
.(G
G
’ - 4G
g
) +
g
"
6
GT
G.k.
2
qq +
] +
Σq
K
.n

K
.S
K
}.k
1
”k
2
”.k
3
”
Thay số vào biểu thức trên
Q
0
= {1,18.1.[ 1,564.209,31 + 1,447.(184,44 – 4.18,26) +
26,18.775,41.41,1.
2
447,1564,1 +
]+ 4.0,142.257,13+1.2,28.181,82 +
2.2,07.185,46}.1.1,01.1,02
= 3954,54 Var
7. Thành phần tác dụng của dòng điện không tải
Theo công thức 13-105
i
or
% =
P
0
S.10
P
=

250.10
8,655
= 0,262 %
8. Thành phần phản kháng của dòng điện không tải
Theo công thức 13-107
i
ox
% =
P
0
S.10
Q
=
250.10
54,3954
= 1,582 %
9. Trị số dòng điện không tải

I
o
=
2
ox
2
or
ii
+
=
22
582,1262,0 +

= 1,6 % < 2%
như vậy trị số dòng không tải thoả mãn điều kiện đặt ra của đề bài
10. Hiệu suất của máy biến áp lúc tải định mức, cos ϕ = 1
theo công thức 13-109
η =
)
PPS
PP
1(
n0P
n0
++
+
−

= (
39,42848,65510.250
39,42848,655
1
3
++
+
−
) = 98,06%
25