Đồ án Thiết kế chế tạo MBA cho đầu máy chạy điện

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 được đặt lên hàng đầu . Nói đến công nghiệp hóa, hiện đại hóa thì không thể tách rời được 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 sư thiết kế máy điện mà các máy phát điện mới được ra đời cung cấp cho các nhà máy điện. Khi điện đã được 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 được các máy biến áp điện lực dùng để tăng và giảm điện áp lưới sao cho phù hợp nhất đối với việc tăng điện áp lên cao để tránh tổn thất điện năng khi truyền tải cũng như giảm điện áp cho phù hợp với nơi tiêu thụ . Trong lĩnh vực công nghiệp máy biến áp đóng vai trò vô cùng quan trọng phục vụ cho việc cung cấp điện năng chuyển hoá thành các dạng năng lượng khác ứng dụng vào sản xuất. Trong đó máy biến áp dùng cho đầu máy chạy điện cũng đóng vai trò rất quan trong phục vụ cho ngành giao thông vận tải. Đầu máy chạy điện là phương tiện giao thông hữu ích tiện lợi, đặc biệt nó có lợi cho môI trường. Vì vậy đầu máy chạy điện được sử dụng khá rộng rãI trên thế giới. Tuy nhiên một vấn đề đặt ra là việc cấp điện cho động cơ đầu máy là khó khăn. Vì vậy việc thiết kế chế tạo MBA cho đầu máy chạy điện cần đặc biệt chú trọng. Chính vì lý do đó trong đợt thực tập tốt nghiệp lần này em đã đựơc giao đề tài Thiết kế máy biến áp 1 pha dùng cho đầu máy chạy điện. Bằng tất cả cố gắng của mình ,với những kiến thức nhận được từ thầy cô và sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Phạm Văn Bình ,mà em đã làm nên bài thiết kế tốt nghiệp này. Do kiến thức còn nhiều hạn chế nên bài thiết kế còn nhiều thiếu sót, em mong các thầy cô tận tình chỉ bảo giúp hoàn thiện hơn đề tài này. Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên Phạm Bùi Anh Tuấn PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ MÁY BIẾN ÁP 1.1 VÀI NÉT KHÁI QUÁT VỀ MÁY BIẾN ÁP Để dẫn điện từ các trạm phát điện đến hộ tiêu thụ cần phải có đường 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 được giải quyết là việc truyền tải điện năng đi xa làm sao cho kinh tế nhất và đảm bảo được các chỉ tiêu kĩ thuật. Máy phát điện Máy biến áp tăng áp Đường dây tải Máy biến áp giảm áp Hộ tiêu thụ Hình 1.1 Sơ đồ mạng truyền tải điện đơn giản Như ta đã biết, cùng một công suất truyền tải trên đường dây, nếu điện áp được tăng cao thì dòng điện chạy trên đường dây sẽ giảm xuống, như vậy có thể làm tiết diện dây nhỏ đi, do đó trọng lượng và chi phí dây dẫn sẽ giảm xuống, đồng thời tổn hao năng lượng trên đường 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 đường dây người ta phải dùng điện áp cao,dẫn điện bằng các đường dây cao thế, thường là 35,110,220 và 500 KV. Trên thực tế, các máy phát điện thường không phát ra những điện áp như 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 đường dây lên. Mặt khác các hộ tiêu thụ thường chỉ sử dụng điện áp thấp từ 127V, 500V hay cùng lắm đến 6KV, do đó trước 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 đường dây dẫn và những thiết bị giảm điện áp trước 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 tiêu thụ một cách hợp lí, thường phải qua ba, bốn lần tăng và giảm điện áp như vậy. Do đó tổng công suất của các MBA trong hệ thống điện lực thường 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 lượng chứ không chuyển hóa năng lượng. Ngày nay khuynh hướng phát triển của MBA điện lực là thiết kế chế tạo những MBA có dung lượng thật lớn, điện áp thật cao, dùng nguyên liệu mới chế tạo để giảm trọng lượng và kích thước máy. Nước 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 nước nhà. Hiện nay chúng ta đã sản xuất được những MBA có dung lượng 63000KVA với điện áp 110KV. 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 như hình 1.2 Đầu vào của MBA được nối với nguồn điện ,được gọi là sơ cấp (SC).Đầu ra của MBA được 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 . Các đại lượng 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 lượng 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 . CÁC LƯỢNG ĐỊNH MỨC Các lượng định mức của MBA do mỗi nhà chế tạo qui định sao cho phù hợp với từng loại máy . Có nhiều lượng định mức, dưới đây ta giới thiệu vài đại lượng cơ bản: 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 ,người ta qui ước 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 thường là KV . 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 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 . 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=.U2đm.I2đm=.U1đm.I1đm. 1.4 CÔNG DỤNG CỦA MBA MBA đã và đang được sử dụng rộng rãi trong đời sống ,phục vụ chúng ta trong việc sử dụng điện năng vào các mục đích khác nhau như + 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 lường (Máy biến dòng ,Máy biến điện áp…) + Máy biến áp thử nghiêm . + Và đặc biệt quan trọng là MBA điện lực được 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 thường ở xa các trung 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 thường là : 6.3;10.5;15.75;38.5 KV.Để nâng cao khả năng truyền tải và giảm tổn hao công suất trên đường dây phải giảm dòng điện chạy trên đường dây ,bằng cách nâng cao điện áp truyền ,vì vậy ở đầu đường dây cần lắp đặt MBA tăng áp 110 KV ;220KV ;500 KV v..v.và ở cuối đường dây cần đặt MBA hạ áp để cung cấp điện cho nơi tiêu thụ ,thường là 127V đến 500V và các động cơ công suất lớn thường 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 như 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, được chế tạo từ những vật liệu dẫn từ tốt như thép lá kĩ thuật điện. Ngày nay loại tôn cán lạnh được 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 như không đổi và có tính dẫn từ định hướng, 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 cường độ từ cảm trong lõi sắt lên tới 1,6 đến 1,65 T (Tesla), trong khi đó tôn cán nóng chỉ tăng được từ 1,3 đến 1,45T. từ đó giảm được tổn hao trong máy, dẫn đến giảm được trọng lượng kích thước 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, nhưng do việc giảm được tổn hao và trọng lượng máy nên người ta tính rằng những MBA được chế tạo bằng loại tôn này trong vận hành vẫn kinh tế hơn MBA được làm bằng tôn cán nóng. Hiện nay ở các nước, tất cả các MBA điện lực đều được thiết kế bởi tôn các lạnh, (như các loại tôn cán lạnh của Nga, Nhật, Mỹ, CHLB Đức…v..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 được sử dụng thường có độ dày từ(0,30 tới 0,5)mm hai mặt được sơn cách điện. Trong MBA dầu thì toàn bộ lõi sắt và dây quấn đều được ngâm trong dầu biến áp. Theo sự phân bố sắp xếp tương đối giữa trụ gông và dây quấn mà ta có các loại lõi sắt như sau : a.Lõi sắt kiểu trụ: Dây quấn ôm lấy trụ sắt, gông từ chỉ giáp phía trên và phía dưới dây quấn mà không bao lấy mặt ngoài của dây quấn, trụ sắt thường 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) 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 dưới dây quấn mà còn bao cả mặt bên của dây quấn. Lõi sắt như bọc lấy dây quấn, trụ thường để nằm ngang, tiết diện trụ có dạng hình chữ nhật. MBA loại này có ưu điểm là không cao nên vận chuyển dễ dàng, giảm được 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 Cdq lớn, điện dung đối với đất Cđ nhỏ nên sự phân bố điện áp sét trên dây quấn đều hơn. nhưng kiểu lõi sắt này có nhược điểm là chế tạo phức tạp cả lõi sắt và dây quấn, các lá thép kĩ thuật điện nhiều loại kích thước khác nhau khi dây quấn quấn thành ống tiết diện tròn, trong trường 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 thường được sử dụng chế tạo cho các MBA lò điện (Hình 1.4) H×nh 1.4 KÕt cÊu m¹ch tõ kiÓu bäc. a. Mét pha ; b. Ba pha ; c.Lõi sắt kiểu trụ – bọc ( Hình 1.5): 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 được ghép từ những lá thép kĩ thuật điện có độ dày 0,35mm có phủ sơn cách điện trên bề mặt. Hình 1.5 Mạch từ kiểu trụ –bọc 1 :Trụ ;2 :Gông ;3 :Dây quấn Các kiểu ghép trụ và gông với nhau: Theo các phương 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 được đem nối với nhau nhờ những xà và bulong ép ( hình 1.6a). kiểu ghép này ghép đơn giản nhưng khe hở không khí giữa trụ và gông lớn nên tổn hao và dòng điện không tải lớn, vì thế mà kiểu này ít được sử dụng. *Ghép xen kẽ: là từng lớp lá thép của trụ và gông lần lượt 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 được quấn trên ống bakelit lồng vào trụ, trụ được nêm chặt với ống bakelit bằng cách nêm cách điện ( gỗ,bakelit) sau đó xếp lá thép vào gông như cũ và ép gông lại. Để giảm bớt tổn hao do tính dẫn từ không đẳng hướng 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 như (hình 1.6.c.d.e). Do dây quấn thường quấn thành hình tròn, nên tiết diện ngang của trụ sắt thường làm thành hình bậc thang gần tròn. 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 nay hầu hết các MBA điện lực người ta hay dùng tiết diện gông hình bậc thang có số bậc gần bằng số bậc của tiết diện trụ. e. L­ît 2 L­ît 1 a. b. Lượt 1 Lượt 2 c. Lượt 1 Lượt 2 d. Lượt 1 Lượt 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. 1.5.2 Dây quấn máy biến áp. Dây quấn là bộ phận dẫn điện của MBA, làm nhiệm vụ thu năng lượng vào và truyền năng lượng ra. Kim loại làm dây quấn thường bằng đồng, cũng có thể bằng nhôm ( ít phổ biến). Dây quấn gồm nhiều vòng dây và được lồng vào trụ lõi sắt giữa các vòng dây, dây quấn có cách điện với nhau và các cuộn dây được 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 , người ta chia ra hai loại dây quấn chính đó là : Dây quấn đồng tâm và dây quấn xen kẽ Dây quấn đồng tâm: (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 như giảm được kích thước rãnh cách điện giữa các cuộn dây và giữa cuộn dây với trụ sắt. b. Dây quấn xen kẽ (Hình1.8) : Cuộn CA và HA được quấn thành từng bánh có chiều cao thấp và quấn xen kẽ, do đó giảm được lực dọc trục khi ngắn mạch. Dây quấn xen kẽ có nhiều rãnh dầu ngang nên tản nhiệt tốt nhưng 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. 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 như môi trường khí hậu. Vỏ MBA gồm hai bộ phận thùng và nắp thùng. Thùng MBA: Thùng máy làm bằng thép, thường là hình bầu dục. Lúc MBA làm việc, một phần năng lượng bị tiêu hao, thoát ra dưới 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 trường xung quanh có một hiệu số nhiệt độ gọi là nhiệt độ chênh. Nếu nhiệt độ chênh vượt 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 cường làm nguội MBA khi vận hành thì lõi MBA được ngâm trong môi trường dầu. Nhờ sự đối lưu trong dầu, nhiệt truyền từ các bộ phận bên trong MBA sang dầu rồi từ dầu qua vách thùng và truyền ra môi trường xung quanh. Lớp dầu sát vách thùng nguội dần sẽ chuyển dần xuống phía dưới 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 cường cách điện. Tùy theo dung lượng MBA, mà hình dáng và kết cấu thùng dầu khác nhau. Loại thùng dầu đơn giản nhất là thùng dầu phẳng thường dùng cho các MBA dung lượng từ 30KVA trở xuống. Đối với các MBA cỡ trung bình và lớn, người 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 lượng đến 10.000KVA. Ta dùng những bộ tản nhiệt có thêm quạt gió để tăng cường làm nguội MBA. Ở những MBA dùng trong trạm thủy điện, dầu được bơm qua một hệ thống ống nước để tăng cường làm nguội máy. b. Nắp thùng: Nắp thùng MBA dùng để đậy thùng và trên đó đặt các chi tiết máy quan trọng như: 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 thước và trọng lượng 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 thường 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 hư hỏng MBA. Chú ý ống bảo hiểm đầu đặt đĩa thủy tinh quay về phía ít người 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 tượng 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). I1 I2 Zt W1 W2 U1 U2 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 sơ cấp có W1 vòng dây và có cuộn thứ cấp có W2 vòng dây được quấn trên lõi thép. Khi đặt một điện áp xoay chiều v1 vào dây cuốn sơ cấp trong đó sẽ có dòng điện i1. Trong lõi thép và sinh ra từ thông f 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 đưa 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. f= fm. sinwt 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= W 1= - w 1= -W1wfmcoswt = E 1sin(wt-) e 2=-W2= - W2 = -wW2fmcoswt =E 2sin(Wt-) Trong đó: E1===4,44fW1fm E2===4,44fW2fm 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 đưa ra tỉ số biến đổi của MBA như sau. k = = Nếu không kể điện áp rơi trên các dây quấn thì có thể coi U1E1, U2E2 do đó k có thể coi như tỉ số điện áp giữa dây quấn sơ cấp và thứ cấp. k= 1.7 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 lượt tiến hành theo trình tự như sau: 1. Xác định các đại lượng 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 thước chủ yếu Chọn sơ đồ và kết cấu lõi sắt Chọn loại và mã hiệu tôn Silic, cách điện của chúng, chọn cường 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 thước chủ yếu b theo đại số io, Po, m, Pn đã cho. Xác định đường 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 thước 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 lượng và thể tích bộ giãn dầu PHẦN II: THIẾT KẾ CHƯƠNG I: CHỌN SƠ ĐỒ ĐIỀU CHỈNH VÀ KẾT CẤU MẠCH TỪ MỘT PHA I.1 Các phương pháp điều chỉnh Khác với máy biến áp thông thường, MBA đầu máy có một số tính chất riêng, khi thiết kế cần lưu ý. - Công suất MBA được xác định từ công suất động cơ 1 chiều kéo đầu máy, kích thước và trọng lượng MBA phụ thuộc vào công suất này. - Bên cạnh đó MBA cần thiết điều chỉnh điện áp trong phạm vi từ 0 ® U. ® Do đó cần tăng cường đảm bảo chống ngắn mạch, độ bền điện và độ bền cơ khí cao, chống chấn động. Muốn đảm bảo các yêu cầu trên cần lưu ý sử dụng các vật liệu có chất lượng cao để tăng tuổi thọ cho MBA. Thường thì MBA đầu máy có tuổi thọ thấp. Trong khi tuổi thọ trung bình của MBA điện lực là 40 năm thì MBA đầu máy chỉ khoảng 20 năm. Một phần tử rất quan trọng của MBA đầu máy là bộ phận thay đổi điện áp. Nó được tính toán với chế độ làm v iệc khắc nghiệt đến 1000 lần thây đổi điện áp đầy tải trong 1 ngày. Phần tử này làm việc nặng nề nhất và hay hư hỏng nhất. Có nhiều phương pháp điều chỉnh điện áp MBA Sơ đồ nối dây máy biến áp , điều chỉnh điện áp phía 22kV 1. Điều chỉnh điện áp phía cao áp Điện áp được điều chỉnh bằng 1 MBA tự ngẫu, máy thường được chế tạo kiểu bọc. MBA chính thưòng có 2 trụ, ngoài ra còn có bộ phận thay đổi điện áp gồm chuyển mạch các tiếp điểm công suất lớn và biến dòng. Hình vẽ: Máy biến áp một pha mạch từ ba trụ Để giảm trọng lượng, người ta chế tạo mạch điện từ kiểu 3 trụ. Trụ I có từ thông F1 không đổi do điện áp lưới đặt lên số vòng dây không đổi sinh ra. Trên trụ này đặt dây quấn tự dùng và dây quấn sưởi ấm. Từ dây quấn MBA tự ngẫu sẽ nối với dây quấn trụ II và dây quấn nối tiếp trụ III. Từ thông trụ II là F2 gồm 0,5F1 và từ thông biến thiên Fx. Trong đó Fx thay đổi tuỳ theo vị trí chuyển mạch ở MBA tự ngẫu. Như vậy sự phân bố từ thông qua 3 trụ theo tỉ lệ 1:1,5:0,5. Sử dụng loại lõi thép này không thể dùng dây quấn hình trụ, vì không thể đồng thời có 3 trụ tiết diện tròn khi số lá thép như nhau. Người ta phải dùng dây quấn ôvan thay cho dây quấn hình trụ, làm tăng giá thành vào khoảng 25% tiền công chế tạo. Dùng dây quấn ôvan sẽ tận dụng được diện tích cửa sổ MBA hơn là dùng dây quấn tròn. Kích thước máy lợi này sẽ nhỏ hơn, kích thước thùng dầu và trọng lượng toàn bộ máy sẽ giảm đi so với loại máy 2 mạch từ riêng rẽ, xếp chung trong 1 thùng dầu. Trọng lượng trên đơn vị công suất vào khoảng 2,3 kg/KVA 2. Điều chỉnh điện áp phía hạ áp MBA điều chỉnh điện áp phía cao áp có dòng điện qua chuyển mạch cỡ hàng trăm ampe, dây quấn thứ cấp đơn giản. Nhưng có nhược điểm là trọng lượng máy sẽ lớn, hiệu suất sẽ nhỏ MBA điều chỉnh điện áp phía hạ áp, dây quấn cao áp không có đầu phân áp, giảm vật liệu cách điện phần dây quấn và đầu ra điện áp, đầu phân áp sẽ đặt ở dây quấn hạ áp và được điều chỉnh bằng động cơ. Dòng điện các đầu tiếp xúc điều chỉnh tới hàng chục KA. MBA công suất lớn, số vòng dây thứ cấp ít vì vậy điệp áp điều chỉnh sẽ thô, thường phải dùng mạch chia dòng và điện kháng. MBA đầu máy kiểu MBA tự ngẫu, điện áp lưới điẹn 22kv với tần số 50hz. Phần dây quấn hạ áp được nối đất, có dòng điện lớn, đầu phân áp được đến các tiếp điểm chuyển mạch có dòng điện hàng kA. Để dòng điện cân bằng, người ta dùng bộ chia dòng điện sơ - thứ cấp độc lập, vì tính rằng nếu mất nối đất các đầu phân áp của tự dùng, cung cấp cho sưởi ấm chịu điện áp bằng điện áp phía cao áp. 3. MBA điều chỉnh bằng bão hoà từ Điều chỉnh điện áp bằng mạch từ bão hoà là phương pháp tiên tiến, phương pháp này không cần dùng bộ chuyển mạch công suất lớn, người ta hay dùng cách điều chỉnh này cho MBA cấp điện cho động cơ kéo công suất lớn. Điều chỉnh điện áp trơn, không có tia lửa điện, dùng cho trường hợp không tĩnh tại, phù hợp cho động cơ đầu máy kéo toa xe. Transductor điều chỉnh thường được nối theo 2 cách a) Hai transductor song song, dùng để chuyển tải từ đầu phân áp này sang đầu phân áp khác, nó làm nhiệm vụ chuyển mạch. b) Sử dụng mạch từ bão hoà có mạch liên hệ ngược, các cặp điôt ngược và hạn chế dòng ngắn mạch, lại đảm bảo nối đầu phân áp lân cận. Dây quấn sơ cấp MBA nối vào lưới 25kv máy có đầu phân áp 22,5kv. Dây quấn thứ cấp nối qua chỉnh lưu để cấp cho ĐC . Dây quấn này gồm 2 phần có điện áp như nhau 465V, một trong 2 phần chia làm 6 phần có đầu phân áp 6x77,5. Điện áp điều chỉnh mỗi nấc 77,5V từ 0¸930V. Ngoài ra dây quấn tự dùng và dây quấn tự cấp lò sưởi Theo cách này người ta đã chế tạo MBA đầu máy có công suất 1385KA điện áp 25kv/22,5kv. Động cơ kéo MBA và chuyển mạch bộ phận làm mát và transductor, đặt chung ở một toa xe. Dẫn điện bằng cáp 1 lõi, tiết diện 150mm2, điện áp thử 80kv (cáp cao áp từ lưới đến MBA). MBA đầu máy kiểu vừa xem xét do hãng Micafil chế tạo có sứ ra kiểu điện dung. Sứ ra cao 3m, từ MBA lên đến mái của toa xe. Ngoài ra bọc ngoài sứ là ống bằng đồng có đường kính 80mm. Máy biến dòng để dưới mái, sứ ra được kẹp trên mái chống rung, phía tiếp nối với nắp MBA phải có doãng kín để không chảy dầu. MBA đầu máy có hình dáng không giống với MBA thông thường. Từ đầu phân áp nối ra, chuyển mạch bằng đồng thanh đi dưới sàn toa. I.2 Chọn sơ đồ điều chỉnh và kết cấu mạch từ Qua phân tích những đặc điểm của 3 phương pháp điều chỉnh điện áp nêu trên, ta thấy phương pháp điều chỉnh điện áp phía cao áp là phù hợp hơn cả. Với sơ đồ điều chỉnh điện áp phía cao áp, nếu như ta chế tạo mạch từ riêng rẽ thì trọng lượng máy sẽ lớn. Vì vậy cách tốt nhất là chế tạo mạch từ hợp nhất giữa MBA tự ngẫu và MBA chính thành mạch từ 3 trụ. Với mạch từ 3 trụ