Tài liệu Đồ án môn học - Thiết kế máy điện doc

Đồ án môn học Thiết kế máy điện

Đại học Bách khoa Hà Nội
1
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
THIẾT KẾ MÁY ĐIỆN
CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU:
• Công suất định mức : 400 kVA
• Điện áp định mức :15/0,4 kV đấu
Δ
/yo-11
• Tổn hao không tảI : 840 W
• Tổm hao ngắn mạch : 5750W
• Điện áp ngắn mạch : 4%
• Đặc điểm:Đặt ngoài trời,làm việc liên tục,làm lạnh bằng dầu.
NỘI DUNG TÍNH TOÁN:
• Tinhd toán kích thước chủ yếu
• Tính toán dây quấn CA,HA
• Tính toán mạch từ
• Tính toán các tham số ngắn mạch,không tải
• Tính toán nhiệt
• Bản vẽ tổng lắp ráp.




CHƯƠNG I :NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP ĐIỆN
LỰC

Máy biến áp điện lực là thiết bị chủ yếu của công mghiệp điện lực.Theo
sự phát triển của xã hội và hiện đại hóa của đất nước,qui mô của lưới điện

quốc gia ngày càng được mở rộng và số lượng máy biến áp ngày càng
Đồ án môn học Thiết kế máy điện

Đại học Bách khoa Hà Nội
2
lớn,yêu cầu kĩ thuật máy biến áp ngày càng cao.Trong quá trình truyền tải để
giảm tổn thất điện năng thì điện áp phải được nâng và hạ xuống 4 đến 5
lần.Do vậy tổng công suất của máy biến áp lớn hơn gấp 6 đến 8 lần công
suất của nhà máy điện.
Ngày nay hiệu suất của máy biến áp được nâng lên rất cao,từ 98 đến
99%,nhưng do số lượng máy biế
n áp trong hệ thống điện rất lớn nên tổn hao
này cũng đáng kể,vì vậy cần phải giảm đến mửc thấp nhất có thể tổn hao
trong máy biến áp nhất là tổn hao không tải.
Trong quá trình chế tạo thì những máy biến áp cỡ vùa và nhỏ được chế tạo
thành loại ba pha.Còn những máy biến áp cơ lớn được chế tạo thành loại
một pha sau đó được ghép lại thành tổ máy biế
n áp ba pha.
Công suất máy biến áp ngày càng lớn.Trên thế giới đã chế tạo được máy
biến áp ba pha có công suât đến một triệu kVA và điện áp tới 1150 kV.Để
đảm bảo chất lượng cung cấp điện năng thông thường thì máy biến áp được
chế tạo sao cho có thể điều áp được dưới tải.Máy biến áp được chế tạo với
vật liệu có từ tính tốt,có suất tổn hao thấp,
độ từ thẩm cao,ngoài ra còn được
cải tiến cách làm mát và dùng những vật liệu kết cấu nhẹ và bền.
Có thể nói rằng sự phát triển của công nghệ chế tạo máy điện nói chung và
công nghệ chế tạo máy biến áp nói chung đã có những sự phát triển vượt bậc
đã tạo ra những máy có công suất lớn,điện áp cao nhưng có kích thước giảm
đáng kể.

CHƯƠNG 2 :TÍNH TOÁN CÁC KÍCH THƯỚC CHỦ
YẾU

1.Tính toán các tham số cơ bản
1.Công suất trên mỗi pha của máy biến áp:
Đồ án môn học Thiết kế máy điện

Đại học Bách khoa Hà Nội
3
400
' 133,3
33
p
p
S
S == =
kVA
2.Dòng điện định mức trên một pha máy biến áp:
Dòng điện định mức phía cao áp của máy biến áp:
I
1
=
3
3
3
1
.10
400.10
26,7

3.15.10
p
S
U
==
A
Dòng điện định mức thứ cấp máy biến áp:
I
2
=
3
3
3
2
.10
400.10
577,3
3. 3.0,4.10
p
S
U
==
A
3.Điện áp các pha của máy biến áp:
Điện áp bên cao áp của máy biến áp:
U
f1
=U
1
=15000 V

Điện áp bên hạ áp của máy biến áp:
U
f2
=
94,230
3
10.4,0
3
3
2
==
U
V
4.Điện áp thử nghiệm của dây quấn máy máy biến áp.
Theo TCVN ta có điện áp thử nghiệm của máy biến áp:
Dây quấn cao áp của biến áp: Với U
1
=15 kV thì ta có U
t
=38 kV
Dây quấn hạ áp của biến áp : Với U
2
=0,4 kV ta có U
t
=5 kV
5.Kiểu dây quấn trong máy biến áp

Theo phụ lục XV ta có :
Với dây quấn cao áp điện áp U
1

=15 kV và dòng điện I
1
= 27,6 A.ta chọn
loại dây xoắn ốc liên tục.
Với dây quấn hạ áp U
2
=0,4 kV và dòng điện I
2
=577,3 A,ta chọn dây loại
xoắn ốc mạch đơn
6.Xác định các tham số tính kích thước chủ yếu
Hệ số a
R

Đồ án môn học Thiết kế máy điện

Đại học Bách khoa Hà Nội
4
Ta có :
a
R
=
3
21
12
aa
a
+
+

Hệ số a
R
phụ thuộc vào kích thước cụ thể của máy biến áp,của dây quấn HA
và CA,do đó chỉ khi bố trí xong dât quấn mới có thể xác định chính
xác.Khoảng cách cách điện giữa dây quấn CA và HA là a
12
được chọn theo
điện áp thử nghiệm của cuộn CA.
Tra theo bảng XIV-2 TKMĐ ta có:
Công
suất
MBA
S
p

kVA
Điện áp
thử U
t

của cuộn
CA kV
Cuộn CA đến
gông,cm
Giữa cuộn CA
với HA,cm
Giữa hai cuộn
CA,cm
Đầu
thừa,cm

l
02
d
δ
a
12
12
δ
a
22
22
δ

l
d2
400 25 3,0 - 0,9 0,3 1,0 - 1,5

Lấy sơ bộ :
4
'
3
21
p
Sk
aa
=
+
.Trong đó k là hệ số phụ thuộc vào dung lượng
máy biến áp, vật liệu làm dây quấn CA và tổn hao ngắn mạch trong
MBA.Theo bảng 13.2 TKMĐ ta chọn được k=0,58.

Thay ta có:

4
4
12
' 0,58. 133,3 1,97
3
p
aa
kS
+
== =
cm
Vậy ta có:
a
R
=2+1,97=3,97 cm
Điện áp ngắn mạch tác dụng:
5750
.100 1, 43
10 10.400
n
nr
P
P
u
S
== =
%
Đồ án môn học Thiết kế máy điện

Đại học Bách khoa Hà Nội
5
Điện áp ngắn mạch phản kháng:
22 2 2
41,43 3,74
nx n nr
uuu=−=− =
%
Hình dáng sơ bộ của máy biến áp như hình vẽ:

Hệ thống mạch từ sủ dụng hệ thống ba pha ba trụ có mối ghép chéo
góc,ghép thẳng với trụ giữa.
Trụ được ghép bằng băng đai và gông dùng sắt góc ép lại.Thép dùng làm
lõi sắt là thép cán nguội đẳng hướng 3407 dày 0,3 mm.Lấy mật độ từ
cảm trong trụ B
T
=1,75 T.
Theo bảng 13.2 với S
P
=400 kVA thì trụ có 6 bậc,hệ số điền đầy
k
d
=0,926.
Hệ số ép chặt k
c
=0,95 ta có hệ số lợi dụng:
k
e
=k

d
.k
C
=0,95.0,926=0,88
Chọn các bậc của gông là 7.Theo phần phụ lục XVII-2 TKMĐ ta có: Hệ
số của gông k
G
=1,02.Trông đó k
G
là tỉ số thiết diện giữa gông và trụ.Vì
vậy ta có mật độ từ cảm trong gông B
G
=B
T
/1,02=1,75/1.02=1,029 T.
Đồ án môn học Thiết kế máy điện

Đại học Bách khoa Hà Nội
6
Số khe hở trong mạch từ gồm 4 rãnh chéo ở 4 góc và 3 rãnh vuông ở trụ
giữa.Mật độ từ thông trong rãnh vuông góc là:
B"
R
=B
T
= 1,75 T
Từ thông trong rãnh chéo là:
B'
K
=

2/
T
B
=
1, 75 / 2
=1,24 T
Theo bảng V-4 ta có tổn hao trong thép :
+Tổn hao trong trụ p
FeT
=1,238 W/kg
+Tổn hao trong gông p
FeG
=0,574 W/kg
+Tổn hao từ hóa trong trụ q
T
=1,956 VA/kg
+Tổn hao từ háo trong gông q
G
=1,575 VA/kg
Tổn hao từ hóa trong khe hở không khí:
+Tổn hao từ hóa trong khe hở vuông góc q"
K
= 0,61 VA/cm
2

+Tổn hao từ hóa trong khe hở chéo q'
K
= 0,0956 VA/ cm
2

Theo bảng 13.7 ta có hệ số tổn hao phụ k
f
=0,91 khi ngắn mạch.Theo
bảng 13.5 và 13.6 ta có được hằng số đối với dây đồng là a=1,4 và b=
0,28.Ta lấy hệ số k
R
=0,95 là hệ số ép chặt.
Hệ số
β
= 1,8 – 2,4.
*Ta tiến hành tính toán các hệ số cơ bản :
Hệ số A:
A=16.
4
4
222
2
'
133, 3.3, 97.0, 95
16. 16,51
50.3, 74.1,75 .0,88
PRR
nx T l
Sak
fU B k
==

Hệ số A
1
:

A
1
=
23 2 3
1
5,66.10 . . . 5,66.10 .1, 4.16,51 .0,88 313,81aA k
−−
==
kg
A
2
=
22 2 2
10
3, 6.10 . . . 3, 6.10 .16,51 .0,88.3 25,9Akl
−−
==
kg
Trong công thức trên l
0
là khoảng cách từ cuộn cao áp đến gông.Tra bảng
ta có được l
0
=5 mm
Đồ án môn học Thiết kế máy điện

Đại học Bách khoa Hà Nội
7
23 2 3
11

2,4.10 . . . .( ) 2, 4.10 .0,88.1, 02.16,51 .(1, 4 0,28 0,411) 202,72
G
BkkAabc
−−
=++= ++=
B
2
=
22 2 2
11222
2,4.10 . . . .( ) 2,4.10 .0,88.1, 02.16,51 .(2, 7 3, 0) 33, 47
G
kk A a a
−−
+= +=
kg
C
1
=
=
22
2
2
...
.
AuBKk
aS
K
nr
T

Lf
P
dq
,
2
2
22 2
400.1, 4
2,46.10 . 498, 49
6,91.0,88 .1,75 .1, 43.16,51
==
kg
M=
Aa
P
kkk
n
Rfn
.
....10.2453,0
2
4−
=
=
42
5750
0,2453.10 .45,86 .0,91.0,95. 11,8
1, 4.16,51
−
=

MPa
Trong công thức trên thì:
=+=
−
)1(
100
.41,1
.
nx
nr
u
u
n
n
e
u
k
π

.1,43
3,74
100
1, 41. .(1 ) 45,86
4
e
π
−
+=

B=

22
1
2 2 25,9 33,47
0,19
3 3 202,72
AB
B
+
+
==
Chọn tỉ giá giữa dây đồng PVB và thép 3404 là k
Fe,Cu
=2,21
C=
1
1
313,81
0,52
3. 3.202,72
A
B
==

Chọn k
cđ
=1,06 ta có :
D=
1
,
1

2265,98
.. . .2,21.1,060,22
33466,13
Fe Cu cd
C
kk
D
==
Ta có đẳng thức :
x
5
+Bx
4
-Cx-D=x
5
+0,328.x
4
-0,554x-0,22
Theo phương trình trên ta có
90,1
min
=
β

Trọng lượng tôn Silic của các góc gông:
G
g
=0,493.10
-2
.k

l
.k
G
.A
3
x
3
=
Đồ án môn học Thiết kế máy điện

Đại học Bách khoa Hà Nội
8
=0,493.10
-2
.0,88.1,02.16,51
3
.x
3
=19,91x
3

Thiết diện của trụ lõi sắt :
S
T
=0,785.k
l
.A
2
.x
2

=
=0,785.0,88.16,51
2
.x
2
=188,3x
2

Thiết diện khe hở vuông góc :
S”
K
=S
T
=188,3.x
2

Thiết diện khe hở chéo:
S’
K
=S
T
.
2
=188,3.
2
.x
2
=
=266,3.x
2

Tổn hao không tải trong máy biến áp :
P
0
=k’
F
(p
T
G
T
+p
G
.G
G
)=
=1,25(1,238.G
T
+0,574.G
G
)=1,54G
T
+0,717G
G

Đồ án môn học Thiết kế máy điện

Đại học Bách khoa Hà Nội
9




1.8 2 2.2 2.4 2.153
x=
1.158292185 1.18920712 1.217883286 1.24466595 1.211326

x
2

=

1.341640786 1.41421356 1.483239697 1.54919334 1.46731
x
3
=
1.554012038 1.68179283 1.806412836 1.92822821 1.777391
A
1
/x=313.81/x
270.9247321 263.881704 257.6683691 252.123872 259.0632
A
2
x
2
=25.9.x
2

34.74849637 36.6281313 38.41590816 40.1241075 38.00334
G
T
=A
1
/x+ A
2
x
2

305.6732285 300.509835 296.0842773 292.24798 297.0666
B

1
x
3
=202.72.x
3

315.0293204 340.933043 366.1960101 390.890422 360.3127
B
2
x
2
=33.47.x
2

44.90471712 47.3337279 49.64403267 51.851501 49.11088
G
G
= B
1
x
3
+ B
2
x
2

359.9340376 388.266771 415.8400428 442.741923 409.4236
G
Fe
=G

T
+G
G

665.607266 688.776606 711.9243201 734.989902 706.4902
G
g
=52,35.x
3

30.94037969 33.4844953 35.96567957 38.3910236 35.38786
P
0
=1,7G
T
+1,563G
G

728.8094768 741.172421 754.1270977 767.507847 751.0393
Q
0
=2,445G
T
+1,969G
G

4663.655898 4965.56506 5261.140361 5550.95091 5192.218
+97,8G
g
+136,5x

2


i
0x
=Q
0
/10S
P

1.165913975 1.24139126 1.31528509 1.38773773 1.298054
G
dq
=C
1
/x
2

474.3818214 450.038111 429.0945025 410.826708 433.7528
G
Cu
=1,66G
dq

787.4738236 747.063264 712.2968741 681.972336 720.0296
k
Cùe
G
Cu
=2,21G

Cu

1740.31715 1651.00981 1574.176092 1507.15886 1591.265
C’
td
=G
Fe
+k
CuFe
G
Cu

1742.11715 1653.00981 1576.376092 1509.55886 1593.418
J=0,91.5750/2,4G
dq

3.143803514 3.20102184 3.254096592 3.3036668 3.44196

=M.x
3

14.23475027 15.4052223 16.54674158 17.6625704 16.2809
d=A.x
19.12340398 19.6338095 20.10725305 20.5494349 19.99899
d
12
=ad=1,4d
26.77276557 27.4873333 28.15015426 28.7692089 27.99859

l= d

12
/

46.70360216 43.1551132 40.17794745 37.6397149 40.83398
2a
2
=bd
5.354553114 5.49746665 5.630030853 5.75384177 5.599717
C=d
12
+a
12
+2a
2
+a
22

37.82731868 38.6847999 39.48018512 40.2230506 39.2983






cp
∂
π
β
β
2

4
β
4
β
3
4
β
Đồ án môn học Thiết kế máy điện

Đại học Bách khoa Hà Nội
10



Ta thấy rằng giá thành thấp nhất của máy biến áp khi
β
nằm trong khoảng
1,8 đến 2,4.Khi đó ta có đường kính của trụ nằm trong khoảng 19,21đến
20,54 cm.Trong khoảng đường kính đó các thông số đạt yêu cầu.Ta chọn
đường kính trụ d=20 cm.Khi đó ta có x=1,211 vậy
β
=2,153
Thiết diện lõi sắt của mạch từ:
S
T
=188,3.x
2
=188,3.1,211
2
=276,14 cm

2

Đường kính trung bình của lõi sắt:

d
12
=a.A.x=1,4.16,51.1,211=28 cm
Chiều cao dây quấn của máy biến áp:
L =
12
.28
2,153
d
π
π
β
=
=40,85 cm
Chiều cao của trụ lõi sắt:
l
T
=l +2.l
0
=40,83+2.3=43,13 cm
Khoảng cách giữa các trụ và lõi sắt :
C =

d
12
+a

12
+2a
2
+a
22
= 41,1 cm
Điện áp trên một vòng dây:
U
V
= 4,44.f.B
T
.S
T
.10
-4
=
= 4,44.50.1,75.276,1410
-4
=10,72
V
Trọng lượng sắt của máy biến áp:
G
Fe
=706,49 kg
Trọng lượng đồng trong máy biến áp:
G
dq
=433,38 kg
Mật độ dòng điện trong máy biến áp:
J = 3,44A/mm

2

Ứng suất trong dây quấn cho phép của máy biến áp:
Đồ án môn học Thiết kế máy điện

Đại học Bách khoa Hà Nội
11
cp
∂
= M.x
3
=16,28 Mpa
Tổn hao không tảI trong máy biến áp thiết kế :
P
0
= 751 W
Dòng tổn hao không tải:
i
0
%=

Q
0
/10S
P
=1,298 %
1.
TÍNH TOÁN DÂY QUẤN HẠ ÁP
:
Số vòng dây quấn hạ áp:

w
2
=U
f2
/U
V
=230,94/10,72=21,54 vòng
Ta lấy w
2
=22 vòng.Khi đó ta có điện áp rơi trên một vòng dây
U
V
=230,94/22=10,5 V
Mật độ dòng điện trong dây quấn :

2
2
12
.
5750.10,5
J =0,746.kf. 0,746.0,91. 3,66 /
. 400.28
nv
P
PU
A mm
Sd
==

Thiết diện của dây quấn hạ áp tính toán:
S’
dq2
=I
2
/J
2
=230,94/3,66 = 63,1 mm
2

Chọn dây quấn của máy biến áp là dây quấn xoắn ốc kép một lớp.Chọn
khoảng cách rãnh dầu trong máy biến áp h
r
=0,5 cm.
Chọn số đệm dọc theo chi vi của dây quấn của cuộn dây của cuộn hạ áp là
12 chiếc.Chiều rộng tấm đệm là 4 cm.
Chiều cao hướng trục của dây quấn hạ áp :
h
v2
=
2
40,85
0,5 1, 28
1221
r
l
h
w
−= − =
++

cm
Chọn dây là 3 sợi dây ghép song song loại PB .Thiết diện 1 sợi là:
4,5 12, 5
5, 0 13,0
×
×

Các sợi được chia làm hai mạch ghép song song có rãnh dầu ở giữa.
Thiết diện của một vòng dây tổng bằng:
S
2
=3.55,39=166,17 mm
2

Đồ án môn học Thiết kế máy điện

Đại học Bách khoa Hà Nội
12
Mật độ dòng điện trong dây quấn hạ áp trong chế độ định mức:
J
2
=577,3/166,17=3,47 A/mm
2

Chiều cao dây quấn hạ áp:
Ta tiến hành tính toán chiều cao dây quấn hạ áp bằng cách cho chiều cao dây
quấn hạ áp bằng chiều cao dây quấn cao áp.
Chiều cao dây quấn hạ áp được tinh theo công thức:
[ ]
22 222

2'( 1) ( 1)
r
lbw khw w
σ
=++ ++

Trong công thức trên:
l
2
: Chiều cao thực tế của cuộn hạ áp
b’ : Chiều rộng của một sợi dây quấn
w
2
: Số vòng dây cuộn hạ áp
k : Hệ số khi kể đến sự co ngót của dây quấn khi ép chặt để
sây khô.thông thường k=0,94-0,96,ta lấy k=0,95
h
r2
: Chiều cao rãnh dầu làm mát

σ
: Chiều cao cách điện giữa hai mạch
σ
=0,1-0,15.Ta lấy
σ
=0,1.
Ta tiến hành bố trí cuộn dây hạ áp có chiều cao tương đương như cuộn cao
áp.Do vậy thì số rãnh thông dầu của máy biến áp phảI chọn sao cho thỏa
mãn được điều kiện về chiều cao.Để đơn giản trong thiết kế và lắp đặt ta
chọn tất cả các rãnh thông dầu đều có kích thước bằng nhau.Ta có phương

trình:
[ ]
22
2.1,3(22 1) 0,95 22 0,1(22 1) 72, 43
r
lh cm=++ ++=

Ta có chiều cao rãnh thông dầu:
h
r2
= 0,78 cm
Kích thước rộng của dây quấn:
1
2
12
'.0,53,0
22
v
n
aa cm== =

Đồ án môn học Thiết kế máy điện

Đại học Bách khoa Hà Nội
13
Trong thủ nghiệm cao áp thì với cấp điện áp 0,4 kV, điện áp thử nghiệm là
5 kV.Trong kết cấu dây quấn kiểu xoắn ốc ta có a
01
=1,5 đó là khoảng cách
từ cuộn hạ áp dến gông.

Đường kính trong của dây quấn hạ áp:
D’
2
= d+2a
01
= 20+2.1,5 = 23 cm
Đường kính ngoài của dây quấn hạ áp:
D”
2
= D’
2
+2.a
2
= 23+2.3 = 29 cm
Đường kính trung bình của dẩ quấn hạ áp:
D
tb2
= (D’
2
+D”
2
)/2 = (23+29)/2 =26 cm
Suất tản nhiệt trên bề mặt dây quấn hạ áp :
2
2
31
1,07.
(' )
bf
Jwk

q
kb a
=
+

Trong công thức trên :
q
2
: Suất tản nhiệt trên bề mặt dây quấn hạ áp
J
2
: Mật độ dòng điện trong dây quấn hạ áp
w
b
: Bề rộng dây quấn hạ áp kể cả đến cách điện
k
f
: Hệ số tổn hao phụ
k
3
: Hệ số của dây quấn
Thay số ta có:
2
1,07.3, 66.577,3.0,5.1,05
535,01
0,75(1, 483 3)
q ==
+
W/m
2

Trọng lượng dây đồng trong dây quấn hạ áp:
5
22222
28. . . . .10
dq tb
GaDwS
−
=

Thay số ta có :