Thiết kế máy biến áp 3 pha

TRờng đại học công nghiệp hà nội

đồ án môn

Lời mở đầu
húng ta đang sống trong thời đại với sự phát triển
không ngừng của khoa học kĩ thuật, một thời đại mà sự
nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa đợc đặt lên hàng
đầu .
Nói đến công nghiệp hóa, hiện đại hóa thì không thể
tách rời đợc ngành điện, ngành điện đóng một vai trò
mấu chốt trong quá trình đó.
Trong ngành điện thì công việc thiết kế máy điện là
một khâu vô cùng quan trọng, nhờ có các kĩ s thiết kế máy
điện mà các máy phát điện mới đợc ra đời cung cấp cho
các nhà máy điện. Khi điện đã đợc sản xuất ra thì phải
truyền tải điện năng tới nơi tiêu thụ, trong quá trình
truyền tải điện năng đó thì không thể thiếu đợc các máy
biến áp điện lực dùng để tăng và giảm điện áp lới sao cho
phù hợp nhất đối với việc tăng điện áp lên cao để tránh
tổn thất điện năng khi truyền tải cũng nh giảm điện áp
cho phù hợp với nơi tiêu thụ .
Vì lí do đó mà máy biến áp điện lực (MBAĐL) là một
bộ phận rất quan trọng trong hệ thống điện .MBAĐL ngâm
dầu là loại máy đợc sử dụng rất phổ biến hiện nay do
những u điểm vợt trội của loại máy này có đợc .Nhờ đó mà
MBAĐL ngâm dầu ngày càng dợc sử dụng rộng rãi hơn và
không ngừng đợc cải tiến sao cho phục vụ nhu cầu của ngời sử dụng đợc tốt nhất .

Phần I: Tổng quan về máy biến áp
1.1 Vài nét khái quát về máy biến áp

1

Thiết kế máy biến áp điện lực dầu 3 pha


TRờng đại học công nghiệp hà nội

đồ án môn

Để dẫn điện từ các trạm phát điện đến hộ tiêu thụ
cần phải có đờng dây tải điện (Hình 1.1) Nếu khoảng
cách giữa nơi sản xuất điện và nơi tiêu thụ điện lớn, một
vấn đề rất lớn đặt ra và cần đợc giải quyết là việc
truyền tải điện năng đi xa làm sao cho kinh tế nhất và
đảm bảo đợc các chỉ tiêu kĩ thuật.

Máy phát điện

Máy biến
áp tăng áp

Đờng dây
tải

Hộ tiêu thụ

Máy biến
áp giảm áp

Hình 1.1 Sơ đồ mạng truyền tải điện đơn giản

Nh ta đã biết, cùng một công suất truyền tải trên đờng dây, nếu điện áp đợc tăng cao thì dòng điện chạy
trên đờng dây sẽ giảm xuống, nh vậy có thể làm tiết
diện dây nhỏ đi, do đó trọng lợng và chi phí dây dẫn sẽ
giảm xuống, đồng thời tổn hao năng lợng trên đờng dây
cũng sẽ giảm xuống. Vì thế, muốn truyền tải công suất
lớn đi xa, ít tổn hao và tiết kiệm kim loại mầu trên đờng
dây ngời ta phải dùng điện áp cao,dẫn điện bằng các đờng dây cao thế, thờng là 35,110,220 và 500 KV. Trên
thực tế, các máy phát điện thờng không phát ra những
điện áp nh vậy vì lí do an toàn, mà chỉ phát ra điện áp
từ 3 đến 21KV, do đó phải có thiết bị để tăng điện áp
đầu đờng dây lên. Mặt khác các hộ tiêu thụ thờng chỉ
sử dụng điện áp thấp từ 127V, 500V hay cùng lắm đến
6KV, do đó trớc khi sử dung điện năng ở đây cần phải
có thiết bị giảm điện áp xuống. Những thiết bị dùng để
tăng điện áp ra của máy phát điện tức đầu đờng dây
dẫn và những thiết bị giảm điện áp trớc khi đến hộ tiêu
thụ gọi là các máy biến áp (MBA).
Thực ra trong hệ thống điện lực, muốn truyền tải và
phân phối công suất từ nhà máy điện đến tận các hộ
2

Thiết kế máy biến áp điện lực dầu 3 pha


TRờng đại học công nghiệp hà nội

đồ án môn

tiêu thụ một cách hợp lí, thờng phải qua ba, bốn lần tăng
và giảm điện áp nh vậy. Do đó tổng công suất của các

MBA trong hệ thống điện lực thờng gấp ba, bốn lần công
suất của trạm phát điện. Những MBA dùng trong hệ thống
điện lực gọi là MBA điện lực hay MBA công suất. Từ đó
ta cũng thấy rõ, MBA chỉ làm nhiệm vụ truyền tải hoặc
phân phối năng lợng chứ không chuyển hóa năng lợng.
Ngày nay khuynh hớng phát triển của MBA điện lực là
thiết kế chế tạo những MBA có dung lợng thật lớn, điện
áp thật cao, dùng nguyên liệu mới chế tạo để giảm trọng lợng và kích thớc máy.
Nớc ta hiện nay ngành chế tạo MBA đã thực sự có một
chỗ đứng trong việc đáp ứng phục vụ cho công cuộc
công nghiệp hiện đại hóa nớc nhà. Hiện nay chúng ta đã
sản xuất đợc những MBA có dung lợng 63000KVA với điện
áp 110KV.
1.2

Định nghĩa máy biến áp

Máy biến áp là một thiết bị điện từ đứng yên, làm
việc dựa trên nguyên lí cảm ứng điện từ, biến đổi một
hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp này thành
một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp khác, với
tần số không thay đổi. Kí hiệu một MBA đơn giản nh
hình 1.2

Hình 1.2 Kí hiệu MBA
Đầu vào của MBA đợc nối với nguồn điện ,đợc gọi là sơ
cấp (SC).Đầu ra của MBA đợc nối với tải gọi là thứ cấp (TC)
Khi điện áp đầu ra TC lớn hơn điện áp vào SC ta có
MBA tăng áp
Khi điện áp đầu ra TC nhỏ hơn điện áp vào SC ta có

MBA hạ áp .
3

Thiết kế máy biến áp điện lực dầu 3 pha


TRờng đại học công nghiệp hà nội

đồ án môn

Các đại lợng và thông số của đầu sơ cấp .
+ U1 : Điện áp sơ cấp .
+ I1 : Dòng điện qua cuộn sơ cấp .
+ P1 : Công suất sơ cấp .
+ W1 : Số vòng dây cuộn sơ cấp .
Các đại lợng và thông số của đầu thứ cấp .
+ U2 : Điện áp thứ cấp .
+ I2 : Dòng điện qua cuộn thứ cấp .
+ P2 : Công suất thứ cấp .
+ W2 : Số vòng dây cuộn thứ cấp .
1.3

Các lợng định mức

Các lợng định mức của MBA do mỗi nhà chế tạo qui
định sao cho phù hợp với từng loại máy .
Có 3 đại lợng định mức cơ bản của MBA .
a. Điện áp định mức
Điện áp sơ cấp định mức kí hiệu U1đm ,là điện áp qui
định cho dây quấn sơ cấp .

Điện áp thứ cấp định mức kí hiệu U2đm ,là điện áp
giữa các cực của dây quấn sơ cấp Khi dây quấn thứ cấp
hở mạch và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định
mức ,ngời ta qui ớc với MBA 1 pha điện áp định mức là
điện áp pha ,với MBA 3 pha là điện áp dây .Đơn vị của
điện áp ghi trên nhãn máy thờng là KV .
b. Dòng điện định mức
Dòng điện định mức là dòng điện đã qui định cho
mỗi dây quấn của MBA ,ứng với công suất định mức và
4

Thiết kế máy biến áp điện lực dầu 3 pha


TRờng đại học công nghiệp hà nội

đồ án môn

điện áp định mức .Đối với MBA 1 pha dòng điện định
mức là dòng điện pha .Đối với MBA 3 pha dòng điện
định mức là dòng điện dây .
c. Công suất định mức
Công suất định mức của MBA là công suất biểu kiến
định mức .Công suất định mức kí hiệu là Sđm ,đơn vị
là VA,KVA .
Đối với MBA 1 pha công suất định mức là :
Sđm=U2đ.I2đm =U1đm.I1đm.
Đối với MBA 3 pha công suất định mức là :
Sđm= 3 .U2đm.I2đm= 3 .U1đm.I1đm.
1.4 Công dụng của MBA

MBA đã và đang đợc sử dụng rộng rãi trong đời
sống ,phục vụ chúng ta trong việc sử dụng điện năng
vào các mục đích khác nhau nh
+ Trong các thiết bị lò nung có MBA lò .
+ Trong hàn điện có MBA hàn .
+ Làm nguồn cho các thiết bị điện ,thiết bị điện tử
công suất .
+ Trong lĩnh vực đo lờng (Máy biến dòng ,Máy biến
điện áp)
+ Máy biến áp thử nghiêm .
+ Và đặc biệt quan trọng là MBA điện lực đợc sử
dụng trong hệ thống điện .
Trong hệ thống điện MBA có vai trò vô cùng quan
trọng , dùng để truyền tải và phân phối điện năng ,vì
các nhà máy điện công suất lớn thờng ở xa các trung
5

Thiết kế máy biến áp điện lực dầu 3 pha


TRờng đại học công nghiệp hà nội

đồ án môn

tâm tiêu thụ điện (Các khu công nghiệp và các hộ tiêu
thụ) vì thế cần phải xây dựng các hệ thống truyền
tải điện năng .
Điện áp do nhà máy phát ra thờng là :
6.3;10.5;15.75;38.5 KV.Để nâng cao khả năng truyền tải
và giảm tổn hao công suất trên đờng dây phải giảm

dòng điện chạy trên đờng dây ,bằng cách nâng cao
điện áp truyền ,vì vậy ở đầu đờng dây cần lắp đặt
MBA tăng áp 110 KV ;220KV ;500 KV v..v.và ở cuối đờng
dây cần đặt MBA hạ áp để cung cấp điện cho nơi tiêu
thụ ,thờng là 127V đến 500V và các động cơ công suất
lớn thờng là 3 đến 6KV .
1.5 Cấu tạo của máy biến áp
Máy biến áp có 2 bộ phận chính đó là : Lõi sắt và Dây
quấn. Ngoài ra còn có các bộ phận khác nh vỏ máy và hệ
thống làm mát.
1.5.1 Lõi sắt máy biến áp
Lõi sắt máy biến áp dùng để dẫn từ thông chính của
máy, đợc chế tạo từ những vật liệu dẫn từ tốt nh thép lá kĩ
thuật điện. Ngày nay loại tôn cán lạnh đợc sử dụng chủ yếu
trong công nghệ chế tạo lõi sắt, do tôn cán lạnh là loại tôn có
vị trí sắp xếp các tinh thể gần nh không đổi và có tính
dẫn từ định hớng, do đó suất tổn hao giảm 2 đến 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 cờng độ từ cảm trong
lõi sắt lên tới 1,6 đến 1,65 T (Tesla), trong khi đó tôn cán
nóng chỉ tăng đợc từ 1,3 đến 1,45T. từ đó giảm đợc tổn
hao trong máy, dẫn đến giảm đợc trọng lợng kích thớc máy,
đặc biệt là rút bớt đáng kể chiều cao của MBA, rất thuận
tiện cho việc chuyên trở. Tuy nhiên tôn cán lạnh giá thành có
đắt hơn, nhng do việc giảm đợc tổn hao và trọng lợng máy
nên ngời ta tính rằng những MBA đợc chế tạo bằng loại tôn
này trong vận hành vẫn kinh tế hơn MBA đợc làm bằng tôn
cán nóng.
6

Thiết kế máy biến áp điện lực dầu 3 pha


TRờng đại học công nghiệp hà nội

đồ án môn

Hiện nay ở các nớc, tất cả các MBA điện lực đều đợc
thiết kế bởi tôn các lạnh, (nh các loại tôn cán lạnh của Nga,
Nhật, Mỹ, CHLB Đứcv..v)
Lõi sắt gồm 2 bộ phận chính đó là trụ(T) và gông(G) .
Trụ là nơi để đặt dây quấn.
Gông là phần khép kín mạch từ giữa các trụ.
Trụ và gông tạo thành mạch từ khép kín.
Lá thép kĩ thuật điện đợc sử dụng thờng có độ dày
từ(0,30 tới 0,5)mm hai mặt đợc sơn cách điện.
Trong MBA dầu thì toàn bộ lõi sắt và dây quấn đều
đợc ngâm trong dầu biến áp.
Theo sự phân bố sắp xếp tơng đối giữa trụ gông và
dây quấn mà ta có các loại lõi sắt nh sau :
a.Lõi sắt kiểu trụ:
Dây quấn ôm lấy trụ sắt, gông từ chỉ giáp phía trên và
phía dới dây quấn mà không bao lấy mặt ngoài của dây
quấn, trụ sắt thờng bố trí đứng, tiết diện trụ có dạng gần
hình tròn, kết cấu này đơn giản, làm việc bảo đảm, dùng
ít vật liệu, vì vậy hiện nay hầu hết các MBA điện lực đều
sử dụng kiểu lõi sắt này(Hình 1.3)

7

Thiết kế máy biến áp điện lực dầu 3 pha


TRờng đại học công nghiệp hà nội

đồ án môn

Hình 1.3: Kết cấu mạch từ kiểu trụ
a. Một pha; b. Ba pha;
b.Lõi sắt kiểu bọc:
Kiểu này gông từ không những bao lấy phần trên và
phần dới dây quấn mà còn bao cả mặt bên của dây quấn.
Lõi sắt nh bọc lấy dây quấn, trụ thờng để nằm ngang, tiết
diện trụ có dạng hình chữ nhật. MBA loại này có u điểm là
không cao nên vận chuyển dễ dàng, giảm đợc chiều dài của
dây dẫn từ dây quấn đến sứ ra, chống sét tốt vì dùng
dây quấn sen kẽ nên điện dung dây quấn C dq lớn, điện
dung đối với đất Cđ nhỏ nên sự phân bố điện áp sét trên
dây quấn đều hơn. nhng kiểu lõi sắt này có nhợc điểm là
chế tạo phức tạp cả lõi sắt và dây quấn, các lá thép kĩ
thuật điện nhiều loại kích thớc khác nhau khi dây quấn
quấn thành ống tiết diện tròn, trong trờng hợp dây quấn
quấn thành ống chữ nhật thì độ bền về cơ kém vì các
lực cơ tác dụng lên dây quấn không đều, tốn nguyên vật
liệu. Lõi sắt loại này thờng đợc sử dụng chế tạo cho các MBA
lò điện (Hình 1.4)

c.Lõi sắt kiểu trụ bọc ( Hình 1.5):
8

Thiết kế máy biến áp điện lực dầu 3 pha
Hình 1.4 Kết cấu mạch từ kiểu bọc.
a. Một pha ; b. Ba pha ;


TRờng đại học công nghiệp hà nội

đồ án môn

Là kiểu lõi sắt có sự liên hệ giữa kiểu trụ và kiểu bọc.
Kiểu này hay dùng trong các MBA một pha hay ba pha với
công suất lớn (hơn 100000KVA /1 pha)và để giảm bớt chiều
cao của trụ ta có thể san gông sang hai bên.
Đối với MBA có lõi sắt kiểu bọc và kiểu trụ bọc thì hai
trụ sắt phía ngoài cũng thuộc về gông. Để giảm tổn hao do
dòng điện xoáy gây nên, lõi sắt đợc ghép từ những lá thép
kĩ thuật điện có độ dày 0,35mm có phủ sơn cách điện
trên bề mặt.

Các kiểu ghép trụ và gông với nhau: Theo các phơng
pháp ghép trụ và gông vào nhau ta có thể chia lõi sắt thành
2 kiểu đó là lõi ghép nối và ghép xen kẽ.
*Ghép nối: là kiểu ghép mà gông và trụ ghép riêng
sau đó đợc đem nối với nhau nhờ những xà và bulong ép
( hình 1.6a). kiểu ghép này ghép đơn giản nhng khe hở
không khí giữa trụ và gông lớn nên tổn hao và dòng điện
không tải lớn, vì thế mà kiểu này ít đợc sử dụng.
*Ghép xen kẽ: là từng lớp lá thép của trụ và gông lần lợt
đặt xen kẽ ( hình 1.6b) sau đó dùng xà ép và bulong ép
chặt. Muốn lồng dây vào thì dở hết phần gông trên ra, cho

dây quấn đã đợc quấn
trên1.5
ống
bakelit
lồngtrụ
vào
trụ, trụ đợc
Hình
Mạch
từ kiểu
bọc
nêm chặt với ống 1:Trụ;2:Gông;3:Dây
bakelit bằng cách nêm
quấncách điện
( gỗ,bakelit) sau đó xếp lá thép vào gông nh cũ và ép gông
lại.
Để giảm bớt tổn hao do tính dẫn từ không đẳng hớng
khi ghép các lá thép ta có thể thêm những mối nối nghiêng
giữa trụ và bốn góc, hay có thể cắt vát góc lá thép kĩ thuật
điện nh (hình 1.6.c.d.e).
Do dây quấn thờng quấn thành hình tròn, nên tiết diện
ngang của trụ sắt thờng làm thành hình bậc thang gần
tròn.
9

Thiết kế máy biến áp điện lực dầu 3 pha


Lợt 1

Lợt 2

TRờng đại học công nghiệp hà nội

đồ án môn

Gông từ vì không quấn dây do đó để thuận tiện cho
việc chế tạo tiết diện ngang của gông có thể làm đơn
giản, hình vuông hình chữ nhật hay chữ T. Tuy nhiên hiện
e.
nay hầu hết các MBA điện lực ngời ta hay dùng tiết diện
gông hình bậc thang có số bậc gần bằng số bậc của tiết
diện trụ.
Lợt 1

Lợt
2

a.
b.
L
ợt
1
L
ợt
2
Hình 1.6 Thứ tự ghép lõi sắt ba pha.
a. Ghép nối; b. Ghép xen kẽ mối nối thẳng; c. Ghép
xen kẽ mối nối nghiêng 4 góc;
d. Ghép xen kẽ mối nối nghiêng 6 góc; e. ghép xen kẽ

hỗn hợp.
c.
Lợt 1
Lợt 2
1.5.2 Dây quấn máy biến áp.
Dây quấn là bộ phận dẫn điện của MBA, làm nhiệm
vụ thu năng lợng vào và truyền năng lợng ra. Kim loại làm
dây quấn thờng bằngd. đồng, cũng có thể bằng nhôm ( ít
phổ biến).
Dây quấn gồm nhiều vòng dây và đợc lồng vào trụ lõi
sắt giữa các vòng dây, dây quấn có cách điện với nhau và
các cuộn dây đợc cách điện với lõi.
Dây quấn MBA gồm có 2 cuộn cuộn cao áp (CA) cuộn hạ
áp (HA) đôi khi còn có cuộn trung áp (TA).
Theo cách sắp xếp dây quấn CA và HA , ngời ta chia ra
hai loại dây quấn chính đó là : Dây quấn đồng tâm và
dây quấn xen kẽ
10

Thiết kế máy biến áp điện lực dầu 3 pha


TRờng đại học công nghiệp hà nội

a. Dây quấn
tâm:

đồng

(Hình 1.7): Cuộn CA và

HA là những hình ống
đồng tâm ,bố trí cuộn
HA đặt sát trụ còn cuộn
CA đặt ngoài .Bố trí
cuộn CA đặt ngoài sẽ
đơn giản đuợc việc rút
đầu dây điều chỉnh
điện áp cũng nh giảm
đợc kích thớc rãnh cách
điện giữa các cuộn

b. Dây quấn xen kẽ
(Hình1.8) : Cuộn CA và
HA đợc quấn thành từng
bánh có chiều cao thấp và
quấn xen kẽ, do đó giảm
đợc lực dọc trục khi ngắn
mạch. Dây quấn xen kẽ có
nhiều rãnh dầu ngang nên
tản nhiệt tốt nhng về mặt
cơ thi kém vững chắc so
với dây quấn đồng âm.
Dây quấn kiểu này có
nhiều mối hàn giữa các
bánh dây.

đồ án môn

dây và giữa cuộn dây
với

trụ
sắt.

Hì
nh 1.7 Dâ
y quấn đ
ồng tâ
m

Hì
nh 1.7 Dâ
y quấn xen kẽ

11

Thiết kế máy biến áp điện lực dầu 3 pha


1.5.3 Vỏ máy biến áp:
Vỏ MBA là bộ phận bảo vệ lõi MBA tránh tác động của các
điều kiện ngoại cảnh nh môi trờng khí hậu. Vỏ MBA gồm hai bộ
phận thùng và nắp thùng.
a. Thùng MBA:
Thùng máy làm bằng thép, thờng là hình bầu dục. Lúc MBA làm
việc, một phần năng lợng bị tiêu hao, thoát ra dới dạng nhiệt đốt
nóng lõi thép, dây cuốn và các bộ phận khác làm cho nhiệt độ
của MBA tăng lên. Do đó giữa MBA và môi trờng xung quanh có
một hiệu số nhiệt độ gọi là nhiệt độ chênh. Nếu nhiệt độ
chênh vợt quá qui định thì sẽ làm giảm tuổi thọ cách điện và
có thể gây sự cố đối với MBA.

Trong các MBA để tăng cờng làm nguội MBA khi vận hành thì
lõi MBA đợc ngâm trong môi trờng dầu. Nhờ sự đối lu trong dầu,
nhiệt truyền từ các bộ phận bên trong MBA sang dầu rồi từ dầu
qua vách thùng và truyền ra môi trờng xung quanh. Lớp dầu sát
vách thùng nguội dần sẽ chuyển dần xuống phía dới và lại tiếp tục
làm nguội một cách tuần hòan các bộ phận bên trong MBA. Mặt
khác dầu MBA còn làm nhiệm vụ tăng cờng cách điện.
Tùy theo dung lợng MBA, mà hình dáng và kết cấu thùng dầu
khác nhau. Loại thùng dầu đơn giản nhất là thùng dầu phẳng thờng dùng cho các MBA dung lợng từ 30KVA trở xuống.
Đối với các MBA cỡ trung bình và lớn, ngời ta dùng loại thùng dầu
có ống hay loại thùng có bộ tản nhiệt.

Hình 1.9 Thùng dầu kiểu ống

Hình 1.10 Thùng dầu có bộ tản
nhiệt


ở những MBA có dung lợng đến 10.000KVA. Ta dùng những bộ
tản nhiệt có thêm quạt gió để tăng cờng làm nguội MBA.
ở những MBA dùng trong trạm thủy điện, dầu đợc bơm qua
một hệ thống ống nớc để tăng cờng làm nguội máy.
b. Nắp thùng:
Nắp thùng MBA dùng để đậy thùng và trên đó đặt các chi
tiết máy quan trọng nh: Các sứ ra của đầu dây CA và HA, bình
giãn dầu, ống bảo hiểm, hệ thống rơle bảo vệ, bộ phận truyền
động của bộ đổi nối các đầu điều chỉnh điện áp của dây
quấn CA.
Các sứ ra của dây cuốn CA và HA làm nhiệm vụ cách
điện giữa dây dẫn ra với vỏ máy. Điện áp càng cao thì

kích thớc và trọng lợng sứ ra càng lớn.
Bình giãn dầu: là một thùng hình trụ bằng thép đặt
nằm ngang trên nắp thùng và nối với thùng bằng một ống
dẫn dầu. Để bảo đảm dầu trong thùng luôn luôn đầy,
phải duy trì dầu ở một mức nhất định. Đần trong thùng
MBA thông qua bình giãn dầu giãn nở tự do. ống chỉ
mức dầu đặt bên cạnh bình giãn dầu để theo dõi mức
đầu bên trong.
ống bảo hiểm: Làm bằng thép thờng là trụ nghiêng, một
đầu nối với thùng, một đầu bịt bằng một đĩa thủy tinh.
Nếu vì lí do nào đó mà áp suất dầu trong thùng cao quá
mức cho phép thì đĩa thủy tinh sẽ vỡ để dầu thoát ra
lối đó tránh h hỏng MBA. Chú ý ống bảo hiểm đầu đặt
đĩa thủy tinh quay về phía ít ngời qua lại hay những vị
trí ít nguy hiểm nhất.
1.6 Nguyên lý làm việc của MBA
Nguyên lý làm việc của MBA dựa trên hiện tợng cảm ứng điện
từ và sử dụng từ thông biến thiên của lõi thép sinh ra.
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.
Xét sơ dồ nguyên lý của một MBA1 pha(hình1.11).


Hình 1.11 Nguyên lý làm việc của MBA
Đây là sơ đồ MBA 1 pha 2 dây quấn, máy gồm có 2 cuộn
dây. Cuộn sơI cấp có W1 vòng dây vàI có cuộn thứ cấp có W2
vòng dây đợc1 quấn trên lõi thép.
2
Z
U

U1
W
W2
Khi đặt một điện áp xoay chiều v1 vào t dây cuốn sơ cấp
2
1
trong đó sẽ có dòng điện
i1. Trong lõi thép
và sinh ra từ thông
móc vòng với cả hai cuộn dây sơ cấp và thứ cấp, cảm ứng ra các
sức điện động e1 và e2. ở cuộn sơ cấp có sức điện động sẽ sinh
ra dòng điện i2 đa ra tải với điện áp là u2.
Giả 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. sint
Do đó theo định luật cảm ứng điện từ, sức điện động cảm
ứng trong các dây quấn sơ cấp và thứ cấp là:
e1=w1
=

d
=-
dt

2 E 1sin(t-

ew

1

dm sin t
= -wmcost
dt



2

d
dm sin t

= - w
= -wmcost 2 E 2sin(wt
dt
dt
2

Trong đó:
E1=

W1m

2
2fW 2 m
2

=

2fW1m
2

=4,44fW1m

E 2=

W 2 m
2

=

=4,44fW2m

Là giá trị hiệu dụng của các sức điện động của cuộn sơ cấp
và thứ cấp. Dựa vào biểu thức(1-3a,b) ta có thể đa ra tỉ số biến
đổi của MBA nh sau.
W1
E1
k=
= W2
E2


Nếu không kể điện áp rơi trên các dây quấn thì có thể coi
U1 E1, U2 E2 do đó k có thể coi nh tỉ số điện áp giữa dây quấn
sơ cấp và thứ cấp.
U1
E1
k= E U 2
2

1.7 Tiêu chuẩn hóa trong việc chế tạo MBA điện lực:
MBA điện lực đợc chế tạo với tính năng đợc qui định theo tiêu
chuẩn nhà nớc nh sau.
Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6391-1-1998 có các qui dịnh.
+Điều kiện làm việc của MBA. Độ cao không quá 100m so với
mực nớc biển, nhiệt độ của không khí xung quanh nằm trong
phạm vi -20o C đến
-40o C. Trong trờng hợp này biến áp đợc
làm nguội bằng nớc thì nhiệt độ nớc đầu vào không vợt quá 25o C.
+ Về dòng công suất: Các giá trị u tiên của công suất định
mức đối với MBA công suất đến 10MVA đợc chọn theo dãy R10 của
10; 16; 25; 63; 100; 160; 250; 400; 630; 1000; 1600; 2500; 4000;
6300;1 0.000 KVA. Nếu là MBA một pha thì công suất lấy bằng
1/3 số liệu tâm.
+ Về điện áp có các mức sau: 0,22; 0,38; 3,6; 10; 22; 35; 110;
220; 500kV. Tiêu chuẩn cũng có qui định ký hiệu về cách đấu nối
với góc lệch pha trong MBA 3 pha nh sau: Kiểu nối sao, tam giác
hoặc zic-zac các dây pha của MBA 3 pha và đợc đánh dấu bằng
các chũ Y, D và Z cho các cuộn dây cao áp và y, d,z cho các cộn
dây hạ áp. Nếu điểm trung tính của cuộn dây nói với Y(y) hoặc Z
(z) đợc đa ra ngoài thì vực đánh dấu phải là YN (yn) hoặc ZN(zn)
cho các phía CA và HA [2]
Các ký hiệu bằng chữ liên quan đến các cuộn dây khác nhau
của một MBA đều đợc ghi theo thứ tự giảm dần của điện áp
định mức.
Sự lệch pha của cuộn dây 3 pha giữa điện áp dây thứ cấp
MBA 3 pha so với điện áp dây so cấp thờng đợc chỉ thị bằng
chỉ số của đồng hồ giờ , trong đó vectơ điẹn áp sơ cấp luôn
chỉ số 12 trên mặt đồng hồ tợng trng cho kim phút. Vectơ điện
áp thứ cấp sẽ lệh pha tơng ứng ở các vị trí lần lợt chỉ các giờ trong

đó só 12 có thể coi là số 0 (chỉ số càng cao thì sự chậm pha
càng lớn)
1.8 Mục đích yêu cầu và nhiệm vụ:
Để đảm bảo về tính toán hợp lý tốn it thời gian, việc tính toán
MBA sẽ lần lợt tiến hành theo trình tự nh sau:
1. Xác định các đại lợng cơ bản:
Tính dòng điện pha, điện áp pha của các dây quấn
Xác định điện áp thử của các dây quấn
Xác định các thành phần của điện áp ngắn mạnh
2. Tính toán các kích thớc chủ yếu
Chọn sơ đồ và kết cấu lõi sắt
Chọn loại và mã hiệu tôn Silic, cách điện của chúng,
chọn cờng độ tự cảm của lõi sắt
Chọn các kết cấu và xác định các khỏang cách cách
điện chính của cuộn dây
Tính toán sơ bộ MBA chọn quan hệ kích thớc chủ yếu
theo đại số io, Po, m, Pn đã cho.
Xác định đờng kính trụ, chiều cao dây quấn, tính
tóan sơ bộ lõi sắt.
3. Tính toán dây quấn CA và HA
Chọn dây quấn CA và HA
Tính cuộn dây HA
Tính cuộn dây CA
4. Tính toán ngắn mạch
Xác dịnh tổn hao ngắn mạch
Tính toàn điện áp ngắn mạch

Tính lực cơ của dây quấn khi MBA bị ngắn mạch
5. Tính toán cuối cùng về hệ thống mạch từ và tham số
không tải của máy MBA
Xác định kích thớc cụ thể của lõi sắt
Xác định tổn hao không tải
Xác định dòng điện không tải và hiệu suất
6. Tính toán nhiệt và hệ thống làm nguội MBA
Tiêu chuẩn về nhiệt độ chênh
Tính toán nhiệt MBA
Tính tóan gần đúng trọng lợng và thể tích bộ giãn dầu

Phần II: Thiết kế
Chơng 1: Tính toán kích thớc chủ yếu của máy biến áp.
Chơng 2: Thiết kế mạch từ.
Chơng 3: Tính toán dây quấn.
Chơng 4: Tính toán tham số không tải.
Chơng 5: Tính toán cuối cùng mạch từ.
Chơng 6: Tính toán nhiệt máy biến áp.


Phần II: Thiết kế
Nhiệm vụ thiết kế:
Thiết kế máy biến áp điện lực ba pha ngâm dầu công suất
160KVA.
Các số liệu ban đầu:
Dung lợng S = 160KVA.
Điện áp UCA/UHA=220 5%/ 0.4KV
Tần số f=50 Hz.
Tổ nối dây Y/Y - 12.
Tổn hao không tải :

P0 = 450 W

Tổn hao ngắn mạch:

Pn = 2130 W

Điện áp ngắn mạch :

Un = 4%

Dòng điện không tải:

i%= 1.7%

Đặc điểm : Máy đợc làm mát bằng dầu tuần hoàn tự nhiên.
Máy đặt ngoài trời. Máy 3 pha 3 trụ.
Dây quấn bằng đồng(Cu).

Chơng 1:
Tính toán các kích thớc chủ yếu của máy biến áp
BàI 1: Xác định các đại lợng điện cơ bản của MBA.


Dựa vào các số liệu ban đầu của nhiệm vụ thiết kế đã cho ta
phải xác định các đại lợng điện cơ bản sau đây.
Tất cả các công thức trong đồ án đều lấy trong tài liệu ( thiết
kế máy biến áp của thầy Phan Tử Thụ tài liệu 1 )
1.Dung lợng một pha.
160

S
S f = = 3 =53,333 (KVA)
m

2.Dung lợng trong mỗi trụ.
160
S
= 3 =53,333 (KVA)
t

S =
Trong đó :

S= 160 KVA: công suất định mức máy biến áp
m=3 :số pha
t=3 : số trụ tác dụng của m.b.a 3pha

3. Dòng điện dây định mức.
- Phía cao áp (CA)
I1=

S dm
3.U 2 dm

=

160
3. 220

=0,420 (A)

U1đm=220.103(V) :

là điện áp phía cao áp.

- Phía hạ áp (HA)
I2=

S dm
3.U 1dm

=

160
3. 0,4

=230,940(A).

U2đm= 0,4.103(V) : là điện áp phía hạ áp.


4.Dòng điện pha định mức.
Vì dây quấn nối Y/Y nên dòng điện pha định mức là :
- Phía CA nối Y: Nên ta có If1=I1=0,420 (A).
- Phía HA nối Y: Nên ta có If2=I2=230,940 (A).
5. Điện áp pha định mức.
- Phía cao áp nối Y: Uf1=
- Phía hạ áp nối Y: Uf2=

U CA

3

U HA
3

=

=

220
3.

0,4
3.

=127,017(KV)

=0,231(KV)

6. Điện áp thử các dây quấn.(tra bảng 2 trang 185 [Tài liệu 1])
Đối với máy biến áp dầu theo cấp điện áp của dây quấn ta tra
điện ỏp th tng ng :
- Dây quấn CA: Ut1=325(KV)
- Dây quấn HA: Ut2=5(KV)
7. Các thành phần đện áp ngắn mạch.
- Thành phần tác dụng của điện áp ngán mạch.
Pn

Unr%= 10.S

dm

=

2130
=1,331%
10.160

-Thành phần phản kháng của điện áp ngắn mạch.
Unx%=

U n2 % U ủn2 %

Unx% =

4 2n 1,3312ủn

=3,772%

Bài 1.2 :Thiết kế sơ bộ lõi sắt , Chọn các số liệu xuất
phát ,chọn phơng án và tính toán các kích thớc chủ yếu.
8. Chọn kiểu dáng lõi sắt :
lõi sắt có rất nhiều kiểu , nhng hầu hết máy biến áp điện
lực hiện nay đều dùng kiểu trụ . do đó để đơn giản ta chọn lõi
sắt kiểu trụ :


9. Chọn các số liệu xuất phát :
Đ ỏp ng yờu cu thit k v n gin khi tớnh toỏn ta chn mỏy bin ỏp 3pha ,
2 dõy qun kiờu tr phng , dõy qun ng tõm .

10. Chiều rộng của rãnh từ tản giữa dây quấn CA và HA.( a r)
ar

= a12+

a1 a 2
3

theo 2-33

TL1
hay :

ar

= a12

+ k.

4

S ' .10 2

theo 2-36

TL1
Trong đó :
a12= 0,9(cm): là khoảng cách cách điện giữa
dây quấn hạ áp và cao áp
(tra bảng 19 theo điện áp thử và công suất S = 160 (KVA)

* a1 :

là chiều dầy dây quấn hạ áp

* a2 : là chiều dầy dây quấn cao áp
* k = 0,5 : là hệ số tra bảng 12 theo điện áp và công
suất
* S=53,333(KVA): dung lợng trên mỗi trụ
=> ar

= 0,9 + 0,014

= 0,914 (cm)

11. Hệ số qui đổi từ trờng tản: KR=0,95.


Chơng 2:Thiết kế mạch từ
12. 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 phải đảm bảo làm sao cho thỏa
mãn những yêu cầu nh, tổn hao sắt chính và phụ nhỏ, dòng điện
không tải nhỏ, lợng tôn silic sử dụng làm sao cho ít nhất và hệ số
điền đầy của lõi sắt lớn. Mặt khác lõi sắt cũng là nơi mà trên đó
gắn nhiều bộ phận khác nh: 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
đợc ứng lực cơ học lớn khi bị ngắn mạch dây quấn.
Để các yêu cầu đối với mạch từ nh trên đợc thoả mãn thị việc
chọn loại tôn siclic nh thế nào là rất quan trọng, với silic có độ dày

bao nhiêu, thành phần silic bao nhiêu là đợc. Khi tôn silic có thành
phần silic trong lá tôn cao quá thì lá tôn sẽ bị giòn, độ đàn hồi
kém đi.
ở đây ta chọn loại tôn cán lạnh là vì loại tôn này có u điểm
vợt trội về khả năng dẫn từ và giảm hao mòn so với tôn cán mỏng.
Tôn cán lạnh là loại tôn có vị trí sắp xếp các tinh thể gần nh
không đổi và có tính dẫn từ không đẳng hớng, do đó suất tổn
hao giảm 2 đến 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 cờng độ từ
cảm trong lõi thép lên tới (1,6->1,65)T trong khi đó tôn cán nóng
chỉ là (1,4->1,45)T Từ đó giảm đợc tổn hao trong máy, giảm đợc
trọng lợng kích thớc máy, đặc biệt là rút bớt đợc đáng kể chiều
cao của MBA, rất thuận lợi cho việc chuyên chở. Tuy nhiên giá thành
tôn cán lạnh có hơi cao nhng do việc giảm đợc tổn hao và trọng lợng nên ngời ta tính rằng vẫn kinh tế hơn những loại MBA đợc chế
tạo bởi tôn cán nóng.
13. Cắt lá thép.
Do ta sử dụng loại tôn cán lạnh mà do loại tôn cán lạnh có tính
dẫn từ không đẳng hớng nên việc ghép nối giữa trụ và gông
không thể thực hiện kiểu mối nối vuông góc nh tôn cán nóng đợc
vì nh vậy góc ghép nối 0 khá lớn làm tăng tổn hao sắt (hình
2.1a) mà ta phải dùng mối nối nghiêng hay là phải cắt vát lá tôn
nh (hình 2.2) khi đó góc 0 sẽ nhỏ đi và tổn hao sắt sẽ giảm
đáng kể (hình 2.1b)


Huóng cán

Hình 2.1 Mối nối giữa gông và trụ
a.Mối nối thẳng.

b.Mối nối chéo.

Hình 2.2 Lá tôn cắt vát.
Khi cắt tôn 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 hớng ban đầu. Các lá thép kĩ thuật điện sau
đó đợc sơn phủ cách điện mặt ngoài trớc khi ghép chúng lại với
nhau.
14. Tính chọn sơ bộ mạch từ.
* Do xu thế hiện nay trong việc chế tạo m.b.a ngời ta đều
dùng tôn cán lạnh có chất lợng cao của các nớc phát triển sản xuất .
nên ở đây ta chọn tôn cán lạnh của Nga sản xuất , mã hiệu 3405
có chiều dầy 0,30 mm


* Trị số tự cảm trong trụ m.b.a ( Bt ) theo bảng 11 , với mã
hiệu tôn 3405 , công suất m.b.a dầu S= 400 KVA , chọn B t =1,6
( T)
Hệ số tăng cờng tiết diện gông ( kg )
kg

=

TT
TG

= 1.015

tra bảng 6 theo công suất

* Để giảm bớt tổn hao do tính dẫn từ không đẳng hớng
đối với tôn cán lạnh ta dùng lõi thép với cách ghép xen kẽ có 4 mối
ghép xiên ở 4 góc của lõi , còn mối nối giữa dùng mối ghép thẳng .
phơng pháp này vừa đơn giản vừa kết cấu vững chắc nên đợc
dùng phổ biến .
* theo bảng 4 ta chọn số bậc thang trong trụ là 6 đối với các
tấm tôn có tấm sắt ép , ép trụ bằng nêm với dây quấn , tiết diện
trụ không có rãnh dầu , hệ số chêm kín kc = 0,93
* đờng kính trụ khoảng 18cm
*chọn số bậc thang của gông nhỏ hơn số bậc thang của trụ
một bậc là 5
* theo bảng 10 , ta chọn hệ số lấp đầy k đ =0,97 : đối với
lá tôn dầy
0,30 mm , mã hiệu 3405 phủ sơn cách điện chịu nhiệt
*Nh vậy hệ số lợi dụng của lõi sắt là:
Kl=Kc.Kđ=0,93.0.97=0.902.

d: Đ ờng kính trụ


Hình vẽ tiết diện trụ với số bậc thang trong trụ là 7
15. Từ cảm trong của gông.
BT

1,6

BG= K = 1,015 =1,576(T).
G
KG: Hệ số tăng cờng gông(Tra bảng 6 trang 187 [1]).
16. Suất tổn hao trong trụ và gông.

Theo bảng 45 trang 216 [ TL1] : Suất tổn hao trong trụ và
gông.
PT=1,15(W/Kg).

PG=1,112(W/Kg).

17. Suất từ hóa trong trụ và gông.
Theo bảng 50 trang 220[ TL1]
qT=1,602(VA/Kg).

qG=1,526(VA/Kg).

Suất từ hóa khe hở không khí với BT=1,6T.
qK=19200(VA/m2).
18. Khoảng cách cách điện chính tra bảng 18,19 TL1:
C: Khoảng cách cách giữa 2 trụ cạch nhau.
d: Đờng kính đờng tròn ngoại tiếp tiết diện ngang của trụ.
d12: Đờng kính trung bình giữa 2 dây quấn.
a1: Bề dày cuộn HA.
a2: Bề dày cuộn CA.
l: Chiều cao dây quấn.
12

=5 mm : ống cách điện giữa cao áp và hạ áp
= 3 mm: ống cách điện giữa các pha

22
l02

=

50 mm: cao áp với gông

lđ2 = 30 mm : phần đầu thừa các ống cách điện CA