Đồ án Thiết kế máy biến áp

Đồ án môn học: thiết kế máy biến áp 1 LỜI NÓI ĐẦU Đối với chuyên ngành Thiết bị điện - điện tử , Máy biến áp là một lĩnh vực rất quan trọng. Chính vì vậy, thiết kế môn học Máy biến áp có mục đích giúp cho sinh viên nắm được những bước cơ bản nhất trong việc tính toán kết cấu của một Máy biến áp. Dưới sự hướng dẫn của thầy Bùi Đức Hùng - giảng viên Bộ môn Thiết bị điện - điện tử, em đã hoàn thành đồ án môn học của mình với đề tài Thiết kế Máy biến áp điện lực ngâm dầu. Trong quá trình làm chắc chắn sẽ không tránh khỏi thiếu sót, qua đó em mong thầy giáo và các bạn góp ý để đồ án được tốt hơn. . SP = 250 kVA . Uđm = 6,3/0,4 kV . I0% = 2% . P0 = 610 W . UK% = 4 . Pk = 4100 W . Tổ nối dây Dy11 .Điều chỉnh 2x2,5% Đồ án môn học: thiết kế máy biến áp 2 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÁY BIẾN ÁP A . Xác định các kích thước chủ yếu: I. Xác định các đại lượng điện cơ bản: 1. Dung lượng một pha: = 3 250 =S f 83,33 kVA Dung lượng trên mỗi trụ: = 3 250 =S t 83,33 kVA 2. Dòng điện dây định mức: - Phía cao áp: = 10.3,6.3 10.250 = U.3 S =I 3 3 1 p f1 22,9 A - Phía hạ áp: = 400.3 10.250 = U.3 S =I 3 2 p f2 360,8 A 3. Điện áp pha định mức: - Phía cao áp: Ud1 = Uf1 = 6,3 kV - Phía hạ áp: 3 400 = 3 U =U 22f = 231 V 4. Điện áp thử nghiệm của dây quấn: - Dây quấn cao áp với U1 = 6,3 kV → Uth = 20 k V - Dây quấn hạ áp với U2 = 0,4 kV → Uth = 5 kV II. Chọn các số liệu xuất phát và tính các kích thước chủ yếu: 1. Chiều rộng quy đổi của rãnh từ tản giữa dây quấn cao áp và hạ áp: với Uth1 = 20 kV, ta có a12= 1,2 cm; δ12= 4 mm. Trong rãnh a12 ta dặt ống cách điện dày δ12= 4 mm. Theo công thức: Đồ án môn học: thiết kế máy biến áp 3 4 'P21 S.k= 3 a+a k là hệ số phụ thuộc dung lượng máy biến áp, tra bảng 13.1 ta được k = 0,45 thay vào ta được 44 'P21 33,83.45,0=S.k= 3 a+a =1,51 cm aR khoảng cách phụ thuộc kích thước hình học của dây quấn hạ áp và cao áp, vậy: 71,2=51,1+2,1= 3 a+a +a=a 2112R cm 2. Hệ số quy đổi từ trường: kR=0.95 3. Các thành phần điện áp ngắn mạch: - Điện áp ngắn mạch tác dụng: 250.10 4100 = S.10 P =U P n nr =1,64% - Điện áp ngắn mạch phản kháng: 64,1_4=U_U=U 222nr 2 nnx =3,65% 4. Ta chọn tôn cán lạnh mã hiệu 3405 có chiều dày 0,35mm. Lấy mật độ từ thông trong trụ BT = 1,6T, hệ số kG = 1,02. ép trụ bằng nêm với ống Bakêlít, ép gông bằng thép U không dùng bulông xuyên qua trụ và gông. Sử dụng lõi thép có mối ghép nghiêng ở 4 góc và ba mối ép thẳng giữa trụ và gông. Theo bảng 13.2 với SP= 250 kVA ta chọn trụ có 6 bậc, số bậc thang của gông lấy nhỏ hơn trụ 1 bậc tức là ggông có 5 bậc, hệ số điền đầy kd=0,928; hệ số chêm kín kc = 0.93, nên hệ số lợi dụng lõi sắt kl = kd.kc = 0,928.0,93=0,86. Từ cảm trong gông BG = 1,6/1,02=1,57 T. Twf camr khe hở không khí ở mối nối thẳng B”r = BT = 1,6 T, từ cảm ở mối nối xiên B’K= BT/ 2 =1,6/ 2 =1,13 T. Tra bảng, ứng với từng giá trị mật độ từ cảm ta sẽ có suất tổn hao trong thép và tổn hao từ hoá trong trụ: . Suất tổn hao trong thép: -Trong trụ pFeT = 1,230 W/kg -Trong gông pFeG = 1,17 Ư/kg . Tổn hao từ hoá -Trong trụ qFeT = 1,602 VA/kg Đồ án môn học: thiết kế máy biến áp 4 -Trong gông qFeG = 1,486 VA/kg -Trong khe hở không khí +Nối thẳng qK”= 1,92 VA/cm2 +Nối nghiêng qK’= 0,272 VA/cm2 5. Các khoảng cách cách điện chính . Giữa trụ và dây quấn hạ áp ao1= 5mm . Giữa dây quấn hạ áp và dây quấn cao áp, a12 = 1,2 cm . ống cách điện giữa dây quấn cao áp và hạ áp, δ12= 0,4 cm . Giữa các dây quấn hạ áp, a22 = 2,2 cm . Tấm chắn các pha δ22= 0,2 cm . Giữa dây quấn cao áp đến gông, lo = 4 cm . Phần đầu thừa của ống cách điện, ld2=3 cm 5. Các hằng số tính toán , với dây dẫn bằng đồng và điện áp dây quấn cao áp là 6,3 kV (bảng 13.5 và 13.6) . a = d12/d = 1,36 . b = 2a2/d = 0,4 6. Hệ số tổn hao phụ, với công suất 250 kVA ta chọn kf = 0,94 (bảng 13.7) 7. Chọn β với dải biến thiên từ 1,2 đến 3,6, để xác định giá trị tối ưu của ta phải tính các số liệu và các đặc tính cơ bản của m.b.a: + 4 2 l 2 Tnx RR ' P k.B.U.f k.a.S =A 04,14= 88,0.6,1.65,3.50 95,0.71,2.33,83 16= 4 22 +A1 = 5,66.10-2.a.A3.kl = 5,66.10-2.1,36.14,043.0,88 = 187 kg +A2 = 3,6.10-2.A2.kl.l0 = 3,6.10-2.14,042.0,88.4 = 25,1 kg +B1 = 2,4.10-2.kl.kG.A3.(a+b+e) = 2,4.10-2.0,88.1,02.14,043(1,36+0,4+0,411) = 129,43 kg e = 0,411 đối với thang nhiều bậc + B2 = 2,4.10-2.klkG.A2.(a12+a22) = 2,4.10-2.0,88.1,02.14,042.(1,2+2,2) = 14,44 kg + C1 = 2 nr 2 T 2 lf 2 P dq A.u.B.k.k a.S .K = 82,188= 04,14.64,1.6,1.88,0.94,0 36,1.250 10.46,2 222 2 2 kg Đồ án môn học: thiết kế máy biến áp 5 + M = A.a P .k.k.k.10.2453,0 nRf 2 n 4- trong đó: kn = )e+1.( u 100 .41,1 nxu nru.- n π = )e+1.( 4 100 .41,1 65,3 64,1.-π = 43,84 M = 04,14.36,1 4100 .95,0.94,0.84,43.10.2543,0 24- = 9,04 MPa + Trọng lượng tôn silic ở các góc của gông: Gg = 0,486.10-2.kl.kG.A3.x3 = 0,486.10-2.0,88.1,02.14,043.x3= 12,07x3 kg + Tiết diện trụ lõi sắt: ST = 0,785.kl.kG.A2.x2 = 0,785.0,88.1,02.14,042.x2 = 139x2 + Tiết diện khe hở vuông góc: S”K= ST = 139x2 + Tiết diện khe hở chéo S’K = ST/ 2 =98,29x2 + Tổn hao không tải, theo công thức 13-24: P0 = k’f.( pT.GT + pG.GG ) = 1,25.( 1,23.GT + 1,17.GG ) = 1,538.GT + 1,463.GG k’f hệ số tổn hao phụ trong sắt, tôn cán nguội lấy k’f = 1,25 + Công suất từ hoá, theo công thức 13-26: Q0 = k”f .(Qc + Qf + QK) Trong đó: . k”f hệ số xét đến sự phục hồi từ tính không hoàn toàn khi ủ lại lá tôn, chọn k”f = 1,25 . Qc công suất từ hoá chung của trụ và gông Qc = qT.GT + qG.GG = 1,602.GT + 1,486.GG . Qf Công suất từ hoá đối với góc có mối nối vuông góc Qf = 40.qT.GG = 40.1,602.GG = 64,08.GG . QK công suất từ hoá ở khe hở không khí nối giữa các lá thép QK = 3,2.qK.SK = 3,2.0,272.139x2 = 120,9x2 Vậy công suất từ hoá tổng là: Q0 = k”f .(Qc + Qf + QK) Đồ án môn học: thiết kế máy biến áp 6 = 1,25.( 1,602.GT + 1,486.GG + 64,08.Gg + 120,9x2 ) = 2.GT + 2,972.GG + 80,1.Gg + 151x2 Lập bảng tính giá trị các tham số cơ bản ứng với từng giá trị của β biến thiên từ 1,2 đến 3,6;từ đó xác định được gía trị β tối ưu : β 1,2 1,8 2,4 3,0 3,6 x= 4 β 1,047 1,16 1,25 1,32 1,38 x2= 2 4 β 1,095 1,34 1,55 1,73 1,90 x3= 3 4 β 1,15 1,55 1,93 2,28 2,62 A1/x = 187/x 178,67 161,44 150,24 142,09 135,76 A2.x2 = 25,1.x2 27,39 33,54 38,73 43,3 47,43 GT = A1/x +A2/x2 206,05 194,99 188,97 185,39 183,19 B1.x3 = 129,43x3 148,41 201,15 249,59 295,06 338,29 B2.x2 = 14,44x2 15,82 19,37 22,37 25,01 27,40 GG= B1.x3+ B2.x2 164,23 220,53 271,96 320,07 365,69 GFe = GT + GG 370,28 415,51 460,93 505,46 548,89 Gg = 12.07x3 13,84 18,76 23,27 27,51 31,55 P0 = 1,538.GT + 1,463.GG 557,17 662,52 688,52 753,39 816,75 Q0 = 2.GT + 2,972.GG + 80,1.Gg + 151x2 2174,100 2750,43 3284,48 3787,81 4266,50 iox = Q0/(10.SP) 0,87 1,10 1,31 1,52 1,71 Gdq= C1/x2 = 188,82/x2 172,37 140,74 121,88 109,01 9,52 GCu = 1,66.Gdq 286,14 233,63 202,33 180,97 165,20 KCuFe.GCu = 2,21.GCu 632,35 516,31 447,14 399,93 365,09 C’td = GFe + kCuFe.GCu 1002,6 931,82 908,07 905,39 931,97 J= dqG.4,2 4100.94,0 3,05 3,38 3,63 3,84 4,02 σcp = M.x3 = 9,04.x3 10,36 14,05 17,43 20,61 23,63 d = A.x3= 14,04.x 14,69 16,26 17,48 18,48 19,34 d12 = a.d = 1,36.d 20,00 22,12 23,77 25,13 26,3 l = π.d12/β 52,29 38,58 31,10 26,30 22,94 2a2 = b.d = 0,4.d 5,88 6,50 6,99 7,39 7,74 C= d12+ a12 + 2a2 + a22 29,26 32,02 34,16 35,92 37,44 Đồ án môn học: thiết kế máy biến áp 7 Ta sẽ thấy giá thành thấp nhất sẽ ứng với 3,6 ≥ β ≥3,0; nhưng với giới hạn P0 = 610 W, ta sẽ lấy giá trị 2,4 ≥ β ≥1,2, tuơng ứng đường kính lõi sắt 16,26 ≥ d ≥ 14,69. Trong khoảng này tất cả các tham số đều đạt tiêu chuẩn. Căn cứ vào đường kính lõi sắt tiêu chuẩn ta chọn giá trị d = 16 cm, lúc đó β = 1,69; x = 4 β= 4 69,1 = 1,14 Tiết diện lõi sắt sơ bộ: ST = 129.x2 = 139.1,142 = 181 cm2 Đường kính trung bình của rãnh dầu sơ bộ d12 = a.d = 1,36.16 = 21,76 cm Chiều cao dây quấn sơ bộ l = 69,1 76,21. = .d12 π β π =39,33 cm Chiều cao trụ lõi sắt sơ bộ lT = l + 2.l0 = 39,33 + 2.4 = 47,33 cm Khoảng cách giữa các trụ lõi sắt sơ bộ C = d12+ a12 + 2a2 + a22 = 21,76 + 1,2 + 0,4.16 + 2,2 = 31,56 cm Điện áp của một vòng dây uv = 4,44.f.BT.ST.10-4 = 4,44.50.1,6.181.10-4 = 6,43 V Trọng lượng sắt sơ bộ : GFe = 407,18 kg Trọng lượng đồng sơ bộ: Gdq = 145,29 kg Mật độ dòng điện sơ bộ: J = 3,32 A/mm2 ỉng suất trong dây quấn: σcp = 13,39 Mpa Tổn hao không tải P0 = 610,41 W Dòng không tải % I0% = 0,97 B. Tính toán dây quấn: I. Dây quấn hạ áp: 1. Sức điện động của một vòng dây: uv = 4,44.f.BT.ST.10-4 = 4,44.50.1,6.181.10-4 = 6,43 V Đồ án môn học: thiết kế máy biến áp 8 2. Số vòng dây trong một pha của dây quấn hạ áp: w1 = 43,6 231 = u U v 1f = 35,93 ≈ 36 vòng Như vậy điện áp một vòng dây uv = 36 231 = w U 1 1f = 6,42 V 3. Mật độ dòng điện trung bình: Theo công thức 13-18 Jcp = 76,21.250 42,6.4100 .94,0.746,0= d.S u.P .k.746,0 12p vn n = 3,39 A/mm2 4. Tiết diện vòng dây sơ bộ: s1’ = 39,3 84,360 = J I cp 1f = 106,44 mm2 Với điều kiện SP = 250 kVA, If1 = 360,84 A Uđm = 400 V S1’ = 106,44 mm2 Tra bảng XV, ta chọn kiểu dây quấn là kiểu quấn kép dây dẫn chữ nhật, do công nghệ chế tạo đơn giản, rẻ, làm nguội tốt thích hợp với máy công suất nhỏ, nhưng nó cũng có nhược điểm là độ bền cơ nhỏ, ta sẽ khắc phục nhược điểm này trong quá trình chọn dây và thông số dây. 5. Số vòng dây của một lớp : w11 = 2 36 = n w1 =18 vòng n: Số lớp, vì quấn kép nên n = 2. 6. Chiều cao hướng trục của mỗi vòng dây: hv1 = 1+18 33,39 = 1+w l 11 1 = 2,07 cm = 20,7 mm 7. Căn cứ vào hv1 = 20,7 mm; tiết diện s1’ = 106,44 mm2, theo bảng VI.2, ta chọn tiết diện mỗi vòng dây bao gồm 2 sợi chập song song, chia thành 2 lớp dây (quấn ống kép ). Kích thước dây hạ áp như sau: PB – 2x 52,79x 5,20x6,4 02x1,4 8. Tiết diện thực của mỗi vòng dây Đồ án môn học: thiết kế máy biến áp 9 s1 = 2x79,52= 159,04 mm2 9. Mật độ dòng điện thực trong dây quấn J1 = 04,159 84,360 = 2,27 A/mm2 10. Chiều cao tính toán của dây quấn hạ áp l1 = hv1.(w11 + 1) + 1 = 2,05.(18+1) = 39,95 cm a01 a a1 b’ b a11 11. Bề dày của dây quấn hạ áp a1 = 2.a’+a11 a’: bề dày của 1 sợi dây, a’=4,6mm a11: khoảng cách giữa hai lớp của dây quấn ống kép, chọn a11=5mm a1 = 2.4,6 +5 = 14,2 mm = 1,42 cm 12. Đường kính trong dây quấn hạ áp: D1’ = d+2a01 a01: 5mm = 0,5 cm; d= 16cm D1’ = 16 +2.0,5 = 17 cm 13. Đường kính ngoài của dây quấn hạ áp: D1” = D1’ + 2.a1 a1 = 1,42 cm, D1’ = 17 cm D1” = 17+ 2.1,42 = 19,84 cm 14. Bề mặt làm lạnh của dây quấn hạ áp: M1 = t.kK.π.(D1’+D1’’).l1.10-4 t: số trụ tác dụng, t = 3 kK hệ số xét đến sự che khuất bề mặt của dây quấn, kK = 0,75 thay vào: M1 = 3.0,75.π.(17+19,84).39,95.10-4 = 1,04 m2 Đồ án môn học: thiết kế máy biến áp 10 15. Trọng lượng đồng dây quấn hạ áp , theo công thức 13-76a GCu1 = 5-11 " 1 ' 1 10.s.w. 2 D+D .t.28 = 04,159.36. 2 84,19+17 .3.28 .10-5 = 88,6 kg II. Dây quấn cao áp 1. Chọn sơ đồ điều chỉnh điện áp, căn cứ vào công suất của máy biến áp là 250 kVA ta bố trí đoạn dây điều chỉnh nằm ở lớp ngoài cùng, mỗi lớp điều chỉnh được bố trí thành hai nhóm trên dưới dây quấn nối tiếp với nhau và phân bố đều trên toàn bộ chiều cao dây quấn nên không xuất hiện lực chiều trục. Các đầu phân áp được cực của bộ đổi nối ba pha. Dòng làm viêc định mức qua các tiếp điểm chính là dòng định mức của dây quấn cao áp bằng 22,9 A. Điện áp lớn nhất đặt lên hai đầu tiếp điểm của bộ đổi nối là: - Điện áp làm việc Ulv = 10%.Uf2 = 10%.6,3.103 = 630 V - Điện áp thử Uth = 2.Ulv Sơ đồ điều chỉnh điện áp A x5 x4 x3 x2 x1 12 12 12 54 12 12 12 12 12 11 lớp bình 2 lớp điều thường chỉnh Đồ án môn học: thiết kế máy biến áp 11 2. Số vòng dây cuộn cao áp ứng với Uđm w2 = 231 10.3,6 .36= U U .w 3 1f 2f 1 = 982 vòng 3. Điện áp ở một cấp điều chỉnh Δu = 2,5%.U2 = 2,5%.6,3.103 = 157,5 V 4. Số vòng dây cao áp ở một cấp điều chỉnh: wđc = 42,6 5,157 u v U =Δ ≈ 24 vòng 5. Số vòng dây tương ứng trên các đầu phân áp Điện áp Đầu dây Mức điều chỉnh Số vòng dây cao áp 6615,0 V X1 + 5% 982+2.24 = 1030 vòng 6457,5V X2 +2,5% 982+1.24 = 1006 vòng 6300,0V X3 0% 982 vòng 6142,5V X4 -2,5% 982 – 1.24 = 958 vòng 5985,0V X5 -5% 982-2.24=934 vòng 6. Mật độ dòng điện trong cuộn cao áp: J2’ = 2Jcp – J1 = 2.3,39 – 2,27 = 4,51 A/mm2 7. Tiết diện dây cao áp sơ bộ: s2’ = 51,4 9,22 J I ' 2 2f = = 5,08 mm2 8. Căn cứ vào công suất máy biến áp 250 kVA, dòng If2 = 22,9 A, U2=6,3 kV, s2’=5,08 mm2 tra bảng XV ta chọn kết cấu dây quấn là kiểu hình ống nhiều lớp tiết diện tròn, ưu diểm của phương pháp này là công nghệ chế tạo đơn giản, nhưng nhược điểm là độ tản nhiệt kém và độ bền cơ thấp, nhưng với công suất của máy nhỏ thì ta có thể khắc phục được những nhược điểm này trong khi chọn lựa thông số dây quấn và kiểu cách tản nhiệt. Theo bảng VI.1 họn dây dẫn tròn mã hiệu PTEV có quy cách như sau: PTEV-2x 36,4; 46,2 36,2 9. Tiết diện thực của mỗi vòng dây, s2 = 2.4,36 = 8,72 mm2 10.Mật độ dòng điện thực trong mỗi vòng dây Đồ án môn học: thiết kế máy biến áp 12 J2 = 72,8 9,22 s I 2 2f = = 2,62 A/mm2 11. Số vòng dây trong một lớp: w12 = 1- 46.2.2 5,399 1- d.n l ' 22v 2 = = 81vòng Trong đó: l2 = l1 = 39,95 cm = 399,5 mm nv2 là số sợi chập trong một vòng dây, nv2 = 2 12. Số lớp của dây quấn: n12 = 81 1030 w w 12 max2 = = 13 vòng 13. Điện áp làm việc giữa hai lớp kề nhau u12 = 2.w12.uv = 2.81.6,42 = 1040,04 V 14. Căn cứ vào u12 = 1040 V, ta chọn cách điện giữa các lớp của dây quấn hình ống nhiều lớp, chiều dày cách điện là δ12=0,12 mm, số lớp giấy cách điện là 2 lớp. 15. Như trên đã đề cập nhược điểm chính của kiểu dây quấn này là toả nhiệt kém, để đảm bảo điều kiện toả nhiệt tốt ta quấn nên que nêm. Bố trí dây quấn như sau: Lớp thứ nhất đến lớp thứ 11: 80.11 = 891 vòng Lớp thứ 12: 54 + 2.12 =78 vòng Lớp thứ 13: 6.12 = 72 vòng --------------------------------------------------------------------------- Tổng cộng 1030 vòng 16. Chiều dày dây quấn cao áp Theo công thức 13-54a a2 = d’.n12 + 2.δ12 (n12-1) =2,46.13 + 2.0,12.(13-2) + 5= 34,8 mm=3,48 cm 17. Đường kính trong của dây quấn cao áp D2’ = D1” + 2.a12 = 19,84 + 2.1,2 = 22,24 cm 18. Đường kính ngoài của dây quấn cao áp D2” = D2’ + 2.a2 = 22,24 + 2.3,48 = 29,2cm 19. Khoảng cách giữa hai trụ cạnh nhau C = D2” + a22 = 30,16 + 2,2 = 32,36 cm 20. Diện tích bề mặt làm lạnh của dây quấn Dây quấn cao áp quấn trên nêm, nên theo công thức 13-59ab Đồ án môn học: thiết kế máy biến áp 13 M2 = 1,5.t. k.π.(D2’+D2”).l2 Trong đó: t số trụ tác dụng, t=3. k là hệ số kể đến sự che khuất, ở đây ta lấy k = 0,88 M2 = 1,5.3.0,88.π.( 22,24+ 30,21).39,95.10-4 = 2,61 m2 21. Trọng lượng dây quấn cao áp GCu2 = 28.t. 5-max22 " 2 ' 2 10.w.s. 2 D+D = 5-10.72,8.1030. 2 2,29+24,22 .3.28 = 194kg 160 5 14,2 12 34,8 22 φ161 40 φ164 φ165 20 3 φ179,2 φ183,2 φ186,2 φ191,2 φ226 Sơ đồ bố trí quận dây và kích thước chính của dây quấn hạ áp và cao áp III. Tính toán các tham số ngắn mạch A. Tổn hao 1. Tổn hao chính Đồ án môn học: thiết kế máy biến áp 14 - Tổn hao đồng trong dây quấn hạ áp Theo công thức 13-75 PCu1 = 2,4.J2.GCu1 = 2,4.2,272.88,6 = 1096 W - Tổn hao đồng trong dây quấn cao áp PCu2 = 2,4.J2.GCu2 GCu2 = 28.t. 5-m®22 " 2 ' 2 10.w.s. 2 D+D = 5-10.72,8.982. 2 2,29+24,22 .3.28 = 185 kg PCu2 = 2,4.2,622.185 = 3048 W 2. Tổn hao phụ trong dây quấn Tổn hao phụ thường được ghép nối vào tổn hao chính thông qua hệ số tổn hao kf , do đó việc xác định tổn hao phụ chính là xác định hệ số kf - Với dây quấn hạ áp tiết diện dây chữ nhật, theo công thức 13-78b kf = 1+0,095β2.a4.n2 + β = R 1 k. l m.b . b chiều cao một vòng dây, b=20,5 mm . m là số thanh dẫn của dây quấn song song với từ thông tản, m = 18 . l chiều cao toàn bộ dây quấn, l = 39,95 cm . kR hệ số Ragovski, lấy kR = 0,95 → β = 95,0. 95,39 18.05,2 = 0,88 →β2 = 0,77 + a kích thước dây dẫn thẳng góc với từ thông tản, a = 4,1 mm + n số thanh dẫn của thanh dẫn song song với từ thông tản, n=4. Vậy: kf1 = 1+0,095β2.a4.n2 = 1+0,095.0,77.(0,41)4. 42 = 1,033 -Với dây dẫn cao áp tiết diện tròn, theo công thức 13-78c kf = 1+0,044β2.d4.n2 + β = R 2 k. l m.d . d đường kính trần của dây quấn cao áp, d=2,36 cm . m số thanh dẫn của dây quấn song song với từ trường tản, m=81 . l2 = 39,95 cm Đồ án môn học: thiết kế máy biến áp 15 → β = 95,0. 95,39 81.236,0 = 0,45→β2 = 0,21 + n số thanh dẫn của dây quấn vuông góc với từ trường tản, n=13 Vậy: kf2 = 1+0,044.β2.a4.n2 = 1+0,095.0,21.(0,236)4. 132 = 1,0048 A) B) Hình vẽ dùng để xác định tổn hao đồng trong các dây quấn A) Với dây đồng chữ nhật B) Với dây đồng tròn 3. Tổn hao phụ trong dây dẫn ra PCur = 2,4.J2.GCur +J: mật độ dòng điện của dây quấn +GCur khối lượng đồng dây dẫn ra của dây quấn GCur = lr.sr.γCu .lr: chiều dài dây dẫn ra .γ khối lượng riêng của đồng, γCu =8900kg/m3 - Khối lượng đồng dây dẫn ra của dây quấn hạ áp GCur1 = lr1.sr1.γCu Vì hạ áp đấu Y nên lr1 = 7,5 l1 = 7,5.39,95 = 299,63 cm GCur1 = 299,63.159,04.8900.10-8 = 4,24 kg Vậy tổn hao dây dẫn ra hạ áp là: PCur1 = 2,4.2,272.4,24 = 52,44 W - Khối lượng đồng dây dẫn ra của dây quấn cao áp GCur2 = lr2.sr2.γCu Vì cao áp đấu Δ nên lr1 = 14.l1 = 14.39,95 = 559,3 cm GCur2 =559,3.8,72.8900.10-8 = 0,434 kg Vậy tổn hao dây dẫn ra cao áp là: PCur2 = 2,4.2,622.0,434 = 7,15 W 4. Tổn hao trong thùng dầu và các chi tiết bằng kim loại khác Tổn hao này rất khó xác định chính xác, theo công thức gần đúng 13-80: Pt = 10.k.SP là hệ số tỉ lệ, tra bảng 13.18 với công suất máy 250 kVA, ta được k=0,012 Pt = 10.0,012.250 = 30 W Đồ án môn học: thiết kế máy biến áp 16 5. Tổng tổn hao ngắn mạch toàn phần ΣPn = kf1.PCu1 + kf2.PCu2 + PCur1 + PCur2 + Pt Thay số vào ta được ΣPn = 1,033.1096 +1,0048.3048 +52,44 +7,15+30 = 4284,39 W So sánh với số liệu đầu bài đã cho Pn = 4100, sai số Δ% = %100. P P-P n nnΣ = %100. 4100 4100-39,4284 = 4,5% < 5%, như vậy coi như công suất tổn hao ngắn mạch của máy là đạt yêu cầu. B. Điện áp ngắn mạch 1. Thành phần tác dụng Theo công thức 13-81 unr = P ' n S.10 P Pn’ Tổn hao trong điều kiện làm việc bình thường của dây quấn cao áp ở chế độ làm việc định mức. Pn’ = Pn – 0,05.(Pdq2.kf2) = 4284,39 – 0,05.(1,0048.3048) = 4131,26 W unr = %65,1= 10.250 4131,26 = S.10 P P ' n 2. Thành phần phản kháng unx = R2 v RP k. u a..'S.f.92,7 β Trong đó + f là tần số công nghiệp, f =50 Hz + S’P Công suất trên mỗi trụ của máy, S’P = 83,33 kVA + β hệ số hình dáng của máy biến áp, β =1,69 + aR = 3 48,3+42,1 +2,1= 3 a+a +a 2112 = 2,83 + kR = 1-σ(1- σ 1 - e ) = σ = 95,39. 48,342,12,1 l. aaa 2112 π ++=π ++ = 0,048 Đồ án môn học: thiết kế máy biến áp 17 thay giá trị σ vào kR = 1- 0,048.(1- 0,048 1 - e ) = 0,952 vậy giá trị của thành phần phản kháng unx = 32 10.952,0.42,6 83,2.69,1.33,83.50.92,7 − = 3,65% 3. Điện áp ngắn mạch toàn phần un = 222nx 2 nr 65,365,1uu +=+ = 4 % Như vậy kết quả tính toán trùng luôn với dữ liệu ban đầu đã cho un =4%, kết luận điện áp ngắn mạch với các thông số đã chọn là thoả mãn yêu cầu đề bài. III. Tính toán lực cơ học khi ngắn mạch 1. Dòng điện ngắn mạch xác lập, theo công thức13-85 In = A5,572 4 100 .9,22 u 100 .I n m ==® 2. Dòng ngắn mạch cực đại tức thời Theo công thức 13-86 imax = 2 .kM.In kM = (1+ )e1()e 65,3 65,1. u u. nx nr π−π− += = 1,24 imax = 2 .1,24. 5,572 =1004 A 3. Lực hướng kính Theo công thức 13-87 FK = 0,628.( imax.w2)2.β.kR.10-6 = 0,627.(1004.982)2.1,69.0,952.10-6 =0,98 Mpa 4. ứng suất nén - Trong dây quấn hạ áp σnrHA = 11 K w.s.2 F π = 6 6 6 10.26,27 36.10.04,159.2 10.98,0 =π − Pa = 27,26 Mpa Đồ án môn học: thiết kế máy biến áp 18 Với dây đồng : 30MPa≥σcp ≥ 18Mpa, như vậy giá trị σnrHA tính được thoả mãn điều kiện về ứng suất nén ngang trục(do lực hướng kính gây nên). - Trong dây quấn cao áp σnrCA = 22 K w.s.2 F π = 982.10.72,8.2 10.98,0 6 6 −π = 18,23 Mpa Với dây đồng : 30MPa≥σcp ≥ 18Mpa, như vậy giá trị σnrCA tính được cũng thoả mãn điều kiện về ứng suất nén ngang trục(do lực hướng kính gây nên). 5. Lực chiều trục Do hai dây quấn có cùng chiều cao các vòng dây phân bố đều trên toàn bộ chiều cao nên F”t = 0. Có F’t = l.2 a .F RK = 0,98.106. 95,39.2 83,2 =34731 N 6. ứng suất do lực chiều trục gây nên áp dụng công thức 13-92 cho dây quấn không có nêm chèm giữa các bánh dây, ở đây ta chỉ xét riêng cho dây quấn hạ áp do nó phải chịu lực ép điện động cực đại trong dây quấn, nếu nó thoả mãn thì điều kiện này đối với dây cao áp cung thoả mãn. σn = )aa.( 2 DD . F 111 " 1 ' 1 ' t −+π σn = 22 10).5,042,1.(10. 2 19,8417 . 34731 −− −+π =6,52 Mpa mức cho phép 18÷20 Mpa ≥ σncp như vậy σn thoả mãn điều kiện về ứng suất nén dọc trục. IV. Tính toán cuối cùng về hệ thống mạch từ 1. Chọn kết cấu lõi thép Ta chọn kết cấu lõi thép kiểu 3 pha năm trụ, có 4 mỗi nối nghiêng ở 4 góc, lá thép xen kẽ, lá thép là loại tôn cán lạnh 3405 có chiều dày 0,35 mm ưu điểm của loại thép kĩ thuật điện này là suất tổn hao trong lõi thép nhỏ, công suất từ hoá Đồ án môn học: thiết kế máy biến áp 19 nhỏ, độ từ thẩm theo chiều cán lớn nên có thể làm giảm tổn hao sắt của m.b.a.. Trụ ép bằng băng đai thuỷ tinh không có tấm sắt đệm. Gông ép bằng xà ép gông, Kích thước tập lá thép như hình vẽ, như trên đã chọn tiết diện trụ có 8 bậc và tiết diện gông có 5 bậc, ta có bảng tổng hợp kết quả tính toán trụ và gông như sau: Thứ tự lá thép Trụ Gông 1 15,36x2,24 15,36x2,24 2 14,08x1,575 14,08x1,575 3 12,48x1,19 12,48x1,19 4 10,08x1,225 10,08x1,225 5 7,52x0,84 7,52x0,84 6 4,48x0,595 7,52x0,84 2. Tổng chiều dày các lá thép của tiết diện trụ (hoặc gông) bT = 2.( 2,24 + 1,575 + 1,19 + 1,225 + 0,84 + 0,595 ) = 15,33 cm 3. Tổng tiết diện các bậc trong trụ Theo công thức 13-94 SbT = 2.ΣaT.bT =2.(15,36.2,24+14,08.1,575+1,19.12,48+10,08.1,225+7,52.0.84 + 4.48.0,595) = 185,53 cm2 4. Tiết diện có ích của trụ ST = SbT.kc kC hệ số ép chặt, ở đây ta lấy kC = 0,98 ST = 0,98.185,53 = 181,82 cm2 5. Tiết diện bậc thang của gông Theo công thức 13-95 S’G = kG.SbT kG = 1,02 S’G = 1,02.185,53 =189,24 cm2 6. Tiết diện có ích của gông SG = kC.SG’ Đồ án môn học: thiết kế máy biến áp 20 = 0,98.189,24 = 185,46 cm2 7. Chiều dày gông, ta lấy chiều dày gông bằng chiều dày trụ, tức là bằng tổng chiều dày các lá thép của tiết diện trụ. bG = bT = 15,33 cm 8. Tổng số lá thép trong trụ và gông theo công thức 13-96 n1 = T Tb δ ; δT là chiều dày mỗi lá thép, δT = 0,35 mm thay vào biểu thức trên n1 = T Tb δ = 35,0 3,153 = 438 lá thép 9. Chiều cao trụ sắt theo công thức 13-99 lT = l + l0 + l0’ l là chiều cao dây quấn, l = 39,95 cm l0 là khoảng cách từ gông trên l0’ là khoảng cách từ dây quấn đến gông dưới Ta lấy l0 = l0’ = 4cm lT = 39,95 + 2.4 = 47,95 cm 10. Khoảng cách giữa hai tâm trụ theo công thức 13-100 C = D2” + a22 D2” là đường kính ngoài cuộn cao áp, D2”=30,21 cm a22 là khoảng cách giữa 2 cuộn cao áp, a22 =2,2 cm C = 30,21+2,2 =32,41 cm Lấy tròn C = 32,5 cm 11. Trọng lượng sắt góc mạch từ chung cho gông và trụ theo công thức 13-101 G g = 2.kC. γFe.10-6.Σ(aiT.aiG.biT) = 2.0,98.7650.10-6.(15,36.15,36.2,24+14,08.14,08.1,575+ +12,48.12,48.1,19+10,08.10,08.1,225+7,52.7,52.0,84+4,48.7,52.0,595) = 18,26 kg 12. Trọng lượng sắt trong gông Theo công thức 13-102 GG = GG’ + GG” - GG’ là trọng lượng phần thẳng nằm giữa hai trụ biên, theo 13-102a Đồ án môn học: thiết kế máy biến áp 21 GG’ = 2.(t-1).C.SG.γFe.10-6 γFe trọng lượng riêng của thép, γFe =7650 kg/m3 GG’ = 2.(3-1).32,5.185,46.7650.10-6 = 184,44 kg - GG” là trọng lượng phần gông ở các góc theo công thức 13-102b GG” = 4. 2 Gg = 2.Gg = 2.18,26 = 36,52 kg vậy trọng lượng của gông là GG = GG’ + GG” = 184,44 + 36,52 = 220,96 kg 13. Trọng lượng sắt trong trụ là theo công thức 13-103 GT = GT’ + GT” Trong đó - GT’ là trọng lượng phần trụ nằm trong chiều cao cửa sổ mạch từ theo công th