Bài tập lớn thiết kế máy biến áp ngâm dầu ba pha

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

BÀI TẬP LỚN
THIẾT KẾ MÁY BIẾN ÁP NGÂM DẦU BA PHA
GV hướng dẫn : TH.S

Nhóm SV thực hiện :T.h

Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53


Nội dung thực hiện :
Phần 2 : Thiết kế
Trình tự thiết kế :
Chương 1 : Tính toán kích thước chủ yếu của máy biến áp .
Chương 2 : Thiết kế mạch từ .
Chương 3 : Tính toán dây quấn .
Chương 4: Tính toán tham số không tải .
Chương 5: Tính toán cuối cùng mạch từ .
Chương 6 : Tính toán nhiệt máy biến áp .
Chương 7: Kết cấu máy biến áp .
*Nhiệm vụ thiết kế : Thiết kế máy biến áp điện lực bap ha
ngâm dầu công suất 250KVA .
Các số liệu ban đầu : -Dung lượng S = 250 KVA
-Điện áp UCA/UHA = 10/0.4 KV .
-Tần số f=50hz
-Tổ nối dây nối Δ/γ
-Dòng điện không tải : I0= 1.7%
-Tổn hao không tải ΔP0= 640 W
-Tổn hao ngắn mạch ΔPn= 3000 w -Điện áp ngắn mạch : Un=
4%

Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53


Phần 1 : Tính toán kích thước chủ yêu của MBA .
A: Xác định các thông số cơ bản của MBA .
1. Dung lượng 1 pha
Sf = = = 83.3 KVA

[2.1]

Trong đó m=3 : số pha của MBA .
S=250KVA : công suất đặt định mức MBA
2.Công suất mỗi trụ .
Dung lượng mỗi trụ :
S’ = = = 83.3 KVA

[2.2]

Trong đó : t =3 số trụ tác dụng (trụ trên đó có dây quấn)
S = 250 KVA

3. Dòng điện định mức .
3.1:Phía cao áp (CA)
I2

( A)

[2.3]

Thay số Sdm =250 KVA công suất định mức MBA .

U1đm=10KV

điện áp phía cao áp .

Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53


I1= = 14,4 A
3.2,Phía hạ áp :
I2 =

A

[2.4]

Tượng tự phía cao áp ta thay số : Sđm =250 KVA , U2đm = 0.4 Kv
I2= = 360,8 A

4. Dòng điện pha định mức .
+Phía cao áp nối Δ : If1= = =8.31 A
+Phía hạ áp nối γ : If2=I2 = 360,8A
5. Điện áp đinh mức .
+Phía cao áp nối Δ : Uf1= UCA=10kv
+Phía hạ áp nối γ : Uf2= = = 0.231 Kv
6: Điện áp thử các dây .
Ta tra bảng 2-Trang 189 -TL1
Chú thích : dây quấn các MBA dầu và khô có cấp điện áp làm
việc đến 1kv có Ut=5KV
+Dây quấn CA : Với cấp điện áp 10KV -> Ut1= 35 KV
+Dây quấn HA :Với cấp điện áp 0,4kv-> Ut2= 5 kv

Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53


B: Chọn các số liệu xuất phát và tính toán các kích thước
chủ yếu .
1: Chiều rộng của rãnh từ tản giữa dây quấn CA và HA
+Chiều rộng quy đổi từ trường tản
ar= a12 +

[2.5]

+Tra bảng 19-Trang 188-TL1
Với điện áp thử phía CA Ut= 35 Kv .
Ta có a12=0,9 cm : Khoảng cách cách điện giữa cuộn CA
và HA .
δ12=0,3 cm : Chiều dày của ống
Trong rãnh a12 đặt 1 ống dày δ12=0,3 cm
k. . 10-2

Ta có :

[2.6]

Trong đó :
Thay số S’=83,3 kv : Dung lượng mỗi trụ
(Tra bảng 12 _Trang 185-TL1)
Ta có hệ số K với MBA ba pha ngâm dầu , dây quấn bằng đồng
với cấp điện áp CA 10kv chọn : K= 0,63
Thay số vào [2.5] ta được

= 0,63 .10-2 = 0,019 m

ar= a12 + = 0,009 + 0.019 = 0,028 m
Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53


2, Hệ số quy đổi từ trường tản .
-Hệ số này thường thay đổi rất ít thường lấy: Kr = 0,95
3, Các thành phần điện áp ngắn mạch
+Thành phần tác dụng của điện áp ngắn mạch
Unm% = = = 1,2%

[2.7]

Trong đó : Pn =3000w Tổn hao ngắn mạch .
Sđm =250 KVA công suất định mức MBA
+Thành phần phản kháng điện áp ngắn mạch .
Unx% =

[2.8]

Thay số Un = 4% : Điện áp ngắn mạch
Unm = 1.2%
Ta được

Unx% = 3,82%

Chương 2 : Thiết kế mạch từ .
2.1 : Chọn Tôn SILIC

-Lõi sắt là phần mạch từ của MBA , là phần dẫn từ thông
chính của MBA . Do đó khi thiết kế cần làm sao cho thoả mãn
nhu cầu như , tổn hao sắt chính và phụ nhỏ nhất , dòng điện

Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53


không tải nhỏ ,lượng tôn silic làm ít nhất và hệ số lấp đầy củ lõi
sắt lớn .Mặt khác lõi sắt cũng là nơi mà trên đó gắn nhiều bộ
phận khác nữa như : Dây quấn , giá đỡ dây dẫn ra , đối với một
số MBA còn gắn cả nắp máy để có thể nâng cẩu toàn bộ lõi sắt
ra khỏi vỏ khi sửa chữa . Hơn thế nữa lõi sắt còn có thể chịu
đựng được ứng lực cơ học lớn khi bị ngắn mạch dây quấn .

-Để các yêu cầu với mạch từ như trên được thoả mãn thì việc
chọn tôn silic như thế nào là quan trọng , với tôn silic có độ dày
bao nhiêu , thành phần silic bao nhiêu là được ? Khi tôn silic có
thành phần silic trong lá tôn cao quá thì lá tôn sẽ bị dòn , độ đàn
hồi kém đi .

Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53


-Ta chọn loại tôn cán lạnh là vì loại tôn này có ưu điểm vượt trội
về khả năng dẫn từ và giảm hao mòn so với tôn cán nóng . Tôn
cán lạnh là loại tôn có vị trí sắp xếp các tinh thể hầu như không
đổi và có tính dẫn từ không đẳng hướng , do đó suất tổn hao
giảm từ 2->2,5% lần so với tôn cán nóng . Độ từ thẩm thay đổi
rất ít theo thời gian dùng tôn cán lạnh cho phép tăng cường độ từ
cảm trong lõi thép lên tới (1,6->1.65) T trong khi tôn cán nóng

chỉ là (1,4->1.45)T . Từ đó giảm được tổn hao trong máy , giảm
được trọng lượng kích thước máy , đặc biệt là giảm được tối đa
chiều cao của MBA , rất thuận lợi cho việc chuyên chở . Tuy
nhiên giá thành tôn cán lạnh có hơi cao nhưng so với việc giảm
được tổn hao và trọng lượng người ta tính rằng vẫn kinh tế hơn
những loại MBA được chế tạo bởi tôn cán nóng .
. Theo bảng 11-Trang 185-TL1
ở đây ta chọn tôn cán lạnh mã hiệu 3405 có chiều dày 0.35mm
Công suất của máy biến áp 250KVA thì BT = 1,55->1,65
Ta chọn từ cảm trong trụ là BT=1,58 T (Tela)
[Tra bảng 6-Trang182-TL1] ,
-Chọn : hệ số KG=1,025 ép trụ bằng nêm với dây quấn , ép gông
bằng xà ép, bằng bulong đặt phía ngoài gông .
2.2: Cắt lá thép .
-Do ta sử dụng tôn cán lạnh có tính dẫn từu không đẳng hướng
nên việc ghép nối giữa trụ và gông không thể thực hiện kiể mối

Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53


nối vuông góc như tôn cán nóng được vì vậy góc ép nối #0 khá
lớn làm tăng tổn hao sắt (hình 2.1a) mà ta phải dùng mối nối
nghiêng hay là phải cắt vát là tôn như hình 2.2 khi đó góc #0 sẽ
nhỏ và tổn hao sắt sẽ giảm đáng kể(hình 2.1b).
Hình 2.1 : Mối nối giữa gông và trụ .

a: mối nối thẳng

Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53

b:Mối nối chéo


Hình 2.2: Lá tôn cắt vát .
Khi tôn sử lý xong ta sẽ phải xử lí cho tốt bavia , và ta phải ủ lại
những lá tôn vừa cắt xong để cho những tinh thể kim loại trong
vết cắt trở lại định hướng ban đầu . Các lá thép kĩ thuật điện sau
đó được sơn phủ cách điện mặt ngoài trước khi ghép chúng lại
với nhau .

2.3 : Tính chọn sơ bộ mạch từ .
1: Chọn số bậc thang trong trụ .
Tra bảng 4_Trang 181_TL1 :
+Chọn hệ số chêm kín là Kc=0,928 .
+Đường kính trụ d=0,22m
Số bậc thang trong trụ là 8 bậc .

Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53


Số bậc thang của gông lấy nhỏ hơn của trụ 1 bậc , tức là 7 bậc
+Ta chọn hệ số lấp đầy Kđ = 0,96



Như vậy hệ số lợi dụng của lõi sắt là :
K1 = Kc.Kđ = 0,928.0,96 = 0,891

(2.9)

Hình 2.3 : Vẽ tiết diện trụ với số bậc thang .
2. Từ cảm trong gông
BG = = 1,54 (T)

(2.10)

+KG =1,025 hệ số tăng cường gông Tra bảng 6 –Trng 182 TL1.
+BT=1,58 T : Từ cảm trong trụ .
Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53


3. Suất tổn hao sắt trong trụ và gông ( P)
Tra bảng 45-Trang 211-TL1 chọn suất tổn hao trong trụ : PT và
PG
Trụ : PT = 1,112 (w/Kg)
Gông PG = 1,038 (w/Kg)
4 . Suất từ hoá trong trụ và gong
Tra bảng 50-Trang 215-TL1
qt = 1,526 (VA/kg)

qg = 1,376 (VA/kg)

Ghi trú : Mã hiệu tôn 3405-chiều dày lá tôn của trụ và gông
chon 0.35mm
Suất từ hoá khe hở không khí qk : với BT =1,58 T
-> qk = 22100 (VA/m2)
5. Khoảng cách điện chính .

Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53

Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53


Hình 3.4: Hình chiếu đứng và hình chiếu bằng của M.B.A
3pha .

c: Khoảng cách 2 trụ .
d:đường kính đường tròn ngoại tiếp tiết diện ngang của trụ
d12: Đường kính trung bình giữa 2 dây quấn
l01: khoảng cách từ dây quấn đến gong
Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53


a1: Bề dày quận hạ áp
a2: Bề dày cuộn cao áp
a01: Khoảng cách cách điện giữa trụ và dây quấn HA
a12: khoảng cách cách điện giữa dây quấn HA và CA
a22: Khoảng cách cách điện giữa 2 cuộn CA
l: Chiều cao dây quấn .
Tra bảng 18 + 19-Trang 188-TL1
Ta xác định các khoảng cách điện chính .
-

-

Giữa cuộn HA với trụ : a01=4 mm = 0,004 m
Giữa cuộn HA với CA : a12 = 9 mm=0,009m
ống cách điện giữa CA cà HA : δ12 = 3 mm=0,003m
Khoảng cách từ từ quấn HA đến gông l01=15 mm= 0,015m

khoảng cách từ dây quấn CA đến gong l02 = 30 mm= 0,03
m
Phần đầu thừa của ống cách điện lđ2 =15 mm =0,015 m
Khoảng cách giữa 2 cuộn dây cao áp a22=10 mm =0,01m

6, Các hằng số tính toán .
Tra bảng 13 -14 –TL1 Trang 185-186
+Trị số hướng dẫn a=d12/d đối với dây quấn đồng .
+Trị số hướng dẫn b=2.a2/d đối với MBA dầu hai đầu dây quấn .
+Tra bảng ta chọn : a =1,36

b= 0,4

7, Hệ số kf đối với máy biến áp ngâm dầu ba pha .
Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53


Tra bảng 15-Trang 186 TL1 :chọn trị số Kf = 0,93

8, Hệ số tối ưu β
Để xác định hệ số tối ưu ta cần xác định số liệu và các đặc tính
cơ bản của MBA , ta tính các hệ số .
A = 0.507

[2.11]

Trong đó :
+Dung lượng trong mỗi trụ S’= 83.3 KVA
+Tần số MBA f=50Hz
+Chiều rộng quy đổi từ trường tản ar = 0.028 m

+Điện áp phản kháng ngắn mạch Unx = 3.82%
+Hế số Kr = 0.96
+Từ cảm BT= 1.58 T
+Hệ số lợi dụng của lõi sắt K1= 0,891
+Trị số hướng dẫn a= 1,36
Thay số vào ta được :
A =0.507
-

0,14

Đối với các MBA 3pha ngâm dầu 3pha dùng tôn cán lạnh
ta có công thức tính các hệ số : Trích dẫn công thức
2.43+2.44 Trang 44-TL1

Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53


A1=5,633 . ..K1.a

[2.12]

A2=3.6 . ..K1.l02

[2.13]

Thay số ta được :
A1=5,633 . ..0,891.1,36 = 188,268
A2=3.6 . ..0,891.0,03 = 18,925
Ta tính tiếp các hệ số :

Theo công thức 2-49a+2-50a _Trang 45 TL1 ta có :
B1= 2,4...K1.KG.(a+b+e)

KG

[2.14]

B2= 2,4...K1.KG.(a12+a22)

KG

[2.15]

Trong đó các hệ số
+Hệ số tăng cường gông KG= 1,025
+ Trị số hướng dẫn: b=0,46
+Hệ số A=0,14

e=0.41 (MBA ba pha)

a12 + a22 = 9 + 10 = 19 mm=0,019m
Thay số ta được
B1= 2,4...0,891.1,025.(1,36+0,46+0,41)=134,815
B2=2,4...0,891.1,025.0,019 = 8,19
-Trọng lượng dây quấn .
Gdq=
Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53

( Kg )

Trong đó C1 là hệ số được xác định bởi công thức :
C1 = Kdq .

[2.16]

Trong đó các hệ số được xác định:
+Đối với dây quấn đồng chọn Kdq= 2,46.
+Từ cảm 1,58
+Hế số Kr = 0.95
+Hệ số lợi dụng của lõi sắt K1= 0,891
+Trị số hướng dẫn a= 1,36
+Điên áp ngắn mạch Unm= 1,2 %
+Hệ số A = 0,14

Thay số ta được :
C1 = 2,46.. = 256,041 KG

9: Tính sơ bộ các thông số có liên quan
9.1*Trọng lượng 1 góc của lõi
G’ = 0,492.104.KG.K1.A3.x3
Thay số :
G’ =0,492. 104.1,025. 0.143. x3 = 19,631.x3
Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53

[2.17]


Tiết diện trụ tính sơ bộ
Tt = 0,785.K1.A2x2=0,785.0,891. 0.142. x2= 0,0139.x2

9.2*Tổn hao không tải của MBA
P0 = .pT.GT + .pG.GG

[2.18]

Trong đó :+ .pT.GT Tổn hao trong trụ
+ .pG.GG Tổn hao trong gông
+ Hệ số phụ (đối với tôn cán lạnh có thể lấy =1,25)
+PT=1,112 (W/Kg) ; pG=1,038 (W/Kg) là suất tổn hao trong trụ
và gông.
->Thay số ta được : P0= 1,25.1,112.GT + 1,25.1,038.GG
=1,39GT+ 1,2975.GG
9.3*Công suất từ hoá lõi thép MBA .
Q0=.(QC + Ql + Qδ) VA

[2.19]

+Trong đó : Qc là công suất tổn hao chung của trụ và gông .
Qc = qT.GT + qG.GG = 1,526.GT + 1,376.GG

[2.20]

+Trong đó qT =1,526,qG =1,376: suất từ hoá trong trụ và gông
(VA/kg)Tra theo bảng 50 (chương 5)
+Qt : suất từ hoá phụ đối với mỗi góc nghiêng
Qt= 40.qt.G’

[2.21]

Qδ =QK = 3,2.qk.TT = 3,2 . 22100.TT =70720TT

Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53

[2.22]


+Q : công suất từ hoá ở khe hở và không khí ứng với BT
+Qk : Suất từ hoá khe hở không khí ứng với BT .
qk=22100 (VA/m2) [Tra bảng 50-trang 215-TL1]
Chọn =1,2: là hệ số đến sự phục hồi từ tính không hoàn toàn khi
ủ lại lá tôn cũng như sự uốn nắn và ép lõi sắt .
-Thay số vào công thức (2.18) ta được
Q0= 1,2 (1,447.GT+1,311.GG+66240.Tk +71.G’)
-Tọng lượng tác dụng MBA .
GFe= GT+GG

(KG)

[2.21]

-Trọng lượng dây quấn .
Gdq=

Kg

[2.22]

-Trọng lượng dây dẫn .
Gdd = Kcđ.Gdq

[2.23]

Kcđ =1,06: hệ số kể đến cách điện của dây quấn .
Vậy giá thành

Ctd =CFe + Cdq

Trong đó : CFe : giá thành của phần lõi sắt CFe =GFe
Cdq giá thành dây dẫn
Với
Trong đó

Cdq =Kcđ.KdqFe.Gdq
KdqFe= = = 1,71

Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53

[2.24]


Trong đó trị số hướng dẫn Cdq=1,85 và CFe =1,08 là giá 1kg kim
loại làm dây quấn và 1kg sắt làm lõi Tra bảng 16 Chuong5TL1
Vậy Cdq = 1,06.1.71.Gdq=1,8126.

=1,8126. =

9.4*Thành phần phản kháng của dòng điện không tải

I0x= (%)

[2.25]

Trong đó : Q0 công suất từ hoá lõi thép MBA
S=250KVA : Công suất định mức MBA
9.5*Mật độ dòng điện trong dây quấn .
Δ=

[2.26]

Trong đó : Kf = 0.96
Gdq Trọng lượng dây quấn .
Pn =3000 : công suất tổn hao ngắn mạch
Chọn K= 2,4: Hệ số phụ thuộc vào điện trở suất của dây quấn .



Δcu =

-Trị số trong khoảng 1,8->2,4
-Trong đó x = , = ,
Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53


Các giá trị x được xác định bởi :
X 4,5 . = 1,8

•

[2.27]

Đồ thị chỉ mỗi quan hệ giữa các thông số MBA với .

Với các số liệu mà ta đã tính toán được trong bảng từ đó ta vẽ đồ
thị quan hệ giữa các đại lượng : với .
Từ đó ta xác định được ứng với gia trị đó .
I: Xử lý các thông số kĩ thuật m.b.a
a. Quan hệ không tải và dòng không tải theo : P0=f()
b. Quan hệ giữa trọng lượng lõi sắt , trọng lượng dây quấn
với . GFe=f()
c. Quan hệ giá thành vật liệu tác dụng theo : Ctd=f()
-Tổn hao không tải : P0 < [P0]=640 w
-Thành phần phản kháng của dòng điện không tải :
iox [i0x]= 1,7%
-Gía thành sử dụng vật ( Ctd ) liệu tác dụng nhỏ nhất mà vẫn đảm
bảo yêu cầu kĩ thuật và an toàn của MBA .

Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53


Nhận xét :Lựa chọn β dựa vào những thông số kĩ thuật của máy
biến áp : Trị số β ảnh hưởng rất rõ rệt tới đặc tính kỹ thuật và
kinh tế của MBA . Với những trị số β khác nhau thì tỉ lệ trọng
lượng sắt và đồng khác nhau , nếu β tăng lượng sắt tăng lên ,
dây quấn đồng giảm đi . β nhỏ m.b.a gầy và cao , β lớn thì m.b.a
béo và thấp. Như vậy chọn β sẽ ảnh hưởng đến kích thước và vật
liệu làm m.b.a . Sự thay đổi β cũng làm thay đổi các thông số kĩ
thuật m.b.a như tổn hao và dòng điện không tải , độ bền cơ học
và sự phát nóng của dây quấn, kích thước chung của cả máy .

II: Lựa chọn các thông số kĩ thuật m.b.a
-Dựa vào bảng số liệu tính toán và đồ thị so sánh với yêu cầu

của bài toán đặt ra lựa chọn tối ưu sẽ là : =2,3
Ta có :Công suất =595,205< []=640w
-Dòng không tải cho phép :=1,694% [i0x]= 1,7%
-Gía thành =751.806 :Phụ thuộc vào vật liệu làm dây quấn và lõi
sắt .
*Nghiệm lại các thông số MBA .
+ Đường kính trụ sắt .
d=A . =0,14. =0,172 (m)

Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53


Tính lại : =( )4 = ()4 2,278
Khi đó x= = =1.23
+Trọng lượng trụ : GT=181,809Kg
+Trọng lượng gông GG =262,341 Kg
->Tổng trọng lượng trụ và gông : 444,15 Kg
+Tổn hao không tải : P0= 593,712 w
+Dòng điện không tải : Iox = 1,684
+Trọng lượng dây quấn : Gdq=169,642 Kg
+Mật độ dòng điện : =4,12 A/m2
+Gía thành vật liệu Ctd =751,642
+Đường kính trung bình của rãnh dầu sơ bộ :
d12=a.d=1,36.0,172=0,234 m
12, Chiều cao dây quấn sơ bộ
l= = =0,3225 (m)
13. Tiết diện hữu hiệu của lõi sắt .
TT=Kđ.Tt=0,96.0,022790,022(m2)
Tra bảng [42b-TL1] Tb=0,02279 m2

Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53


-Các số liệu ta tính toán chỉ mang tính chất sơ bộ , có thể ta sẽ
phải điều chỉnh lại những con số này trong quá trình hoàn thiện
về sau .
*Bảng 2: Tổng kết tính toán các thông số cơ bản MBA chương 2
.
STT

Name

Nember

1

Β tối ưu

2,278

2

Tổn hao không tải .(w)

593,712

3

Dòng điện không tải (A)

1,684

4

Trọng lượng dây quấn Gdq (Kg)

169,642

5

Mật độ dòng điện ( A/m2)

4,12

6

Trọng lượng dây quấn : Gdq(Kg)

169,642

7

Trọng lượng trụ : GT(Kg)

181,809

8

Trọng lượng gông GG ( Kg)

262,341

9

Gía thành vật liệu Ctd

751,642

10

Đường kính trụ sắt

0,172

11

Đường kính trung bình của rãnh dầu
sơ bộ: d12 (m)

0,234

12

Chiều cao dây quấn sơ bộ: l (m)

0,3225

Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53