Bài tập lớn: Thiết kế máy biến áp ngâm dầu ba pha

TRƯƠNG ĐAI HOC GIAO THÔNG VÂN TAI
̀
̣
̣
̣
̉
                                BAI TÂP L
̀
̣
ỚN 

THIÊT KÊ MAY BIÊN AP NGÂM DÂU 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
Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53


­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%

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

Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53


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 .

                                 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
Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53


6: Điện áp thử các dây .
Ta tra bảng 2­Trang 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

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 19­Trang 188­TL1
Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53


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
Ta có  :                  k. . 10­2                        [2.6]
Trong đó :
Thay số S’=83,3 kv : Dung lượng mỗi trụ
(Tra bảng 12 _Trang 185­TL1)
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 .10­2 = 0,019 m
           ar= a12 +  = 0,009 + 0.019 = 0,028 m
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 .
Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53


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 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 .

Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53

­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 .

­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 
Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53


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 11­Trang 185­TL1
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 6­Trang182­TL1] ,
­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 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).

Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53


Hình 2.1 : Mối nối giữa gông và trụ .

a: mối nối thẳng                              b:Mối nối chéo

Hình 2.2: Lá tôn cắt vát .
Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53


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 .
+Đương kinh tru d=0,22m
̀
́
̣
Sô bâc thang trong tru la 8 bâc .
́ ̣
̣ ̀
̣
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)

Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53


         
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 .
3. Suất tổn hao sắt trong trụ và gông ( P)
Tra bảng 45­Trang 211­TL1  chọn suất tổn hao trong  trụ : PT 

và PG
Trụ : PT  = 1,112 (w/Kg)

Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53


Gông  PG = 1,038 (w/Kg)
4 . Suất từ hoá trong trụ và gong
Tra bảng 50­Trang 215­TL1
              qt = 1,526 (VA/kg)     qg = 1,376 (VA/kg)
Ghi trú : Mã hiệu tôn 3405­chiều 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


Hinh 3.4: Hinh chiêu đ
̀
̀
́ ứng va hinh chiêu băng cua 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

Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53


l01: khoảng cách từ dây quấn đến gong
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 + 19­Trang 188­TL1
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 .
Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53


Tra bảng 13 ­14 –TL1 Trang 185­186
+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 .
Tra bảng 15­Trang 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 sô 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
Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53


+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 44­TL1

                       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 2­49a+2­50a _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
Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53


+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=     ( 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

Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53

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                          [2.17]
Thay số :
       G’ =0,492. 104.1,025. 0.143. x3 =  19,631.x3
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
Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53


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         [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 50­trang 215­TL1]
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 .
Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53


              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                         Cdq =Kcđ.KdqFe.Gdq                  [2.24]
Trong đó       KdqFe= = = 1,71
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 .
Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53


                        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 = , = , 
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  .
Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53

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 .

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 

Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53


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 .
*Nghiêm lai cac thông sô MBA .
̣
̣ ́
́
+ Đường kính trụ sắt .
d=A . =0,14.  =0,172  (m)
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

Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53