Xác định các kích thước chủ yếu của máy biến áp sao cho chi phí vật liệu tác dụng nhỏ nhất

LỜI MỞ ĐẦU MBA điện lực là một bộ phận rất quan trọng trong hệ thống điện . Việc tải điện năng đi xa từ nhà máy điện đến hộ tiêu thụ trong các hệ thống điện cần phải có rất nhiều lấn tăng giảm điện áp. Do đó tổng công suất đặt của các MBA lớn hơn nhiều lần so với công suất máy phát. Tuy hiệu suất của MBA thường rất lớn ( 98-99% ) Nhưng do số lượng MBA nhiều nên tổng tổn hao trong hệ thống rất đáng kể vì thế vấn đề đặt ra trong thiết kế MBA vẫn là giảm tổn hao nhất là tổn hao không tải trong MBA. 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. Để làm được điều đó trong thiết kế, chế tạo MBA ta phải không ngừng cải tiến, tìm ra những vật liệu mới tốt hơn, thay đổi kết cấu mạch từ hợp lí, tăng trình độ công nghệ, nhưng vẫn phải đảm bảo được các tính năng của máy. Vì vậy với đề tài “Xác định các kích thước chủ yếu của máy biến áp sao cho chi phí vật liệu tác dụng nhỏ nhất ” đã giúp em hiểu và làm quen với công việc thiết kế máy MBA nói riêng và máy điện nói chung. Ở đây với sự hướng dẫn của cô giáo, TS. Nguyễn Hồng Thanh em đã hoàn thành đề tài thiết kế máy biến áp điện lực ngâm dầu, theo trình tự sau: Xác định các đại lượng cơ bản. − Tính dòng điện pha, điện áp pha của dây quấn − Xác định điện áp thử của các dây quấn − Xác định các thành phần của được ngắn mạch 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 từ cảm lõi sắt − Chọn kết cấu và xác định các khoảng cách điện chút của cuộn dây − Tính toán sơ bộ máy biến áp chọn quan hệ của kích thước chủ yếu β theo trị số I0, P0, Qn, Pn đã cho. − Xác định đường kính trụ, chiều cao dây quấn. Tính toán sơ bộ lõi sắt Các số liệu ban đầu Công suất định mức : 160 kVA Điện áp định mức : 35/6,3 kV Tổn hao không tải : 620 W Tổn hao ngắn mạch : 2350W Điện áp ngắn mạch : 5% Dòng điện không tải : 2% Tổ nối dây : Y/Yn - 0 PHẦN I: XÁC ĐỊNH CÁC ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN . Dựa vào các số liệu ban đầu của nhiệm vụ thiết kế đã cho ta phải xác định các đại lượng điện cơ bản sau đây: Công suất trên mỗi pha Công suất trên mỗi trụ Dòng điện dây định mức Bên cao áp: Bên hạ áp: Dòng điện pha định mức Bên cao áp: If2 = I2 = 2,63 (A) Bên hạ áp: If1 = I1 = 14.6 (A) Điện áp pha: Bên cao áp: Bên hạ áp: Điện áp thử nghiệm của dây quấn theo (Bảng 2 – TKMBA- Phan Tử Thụ ) Với dây quấn cao áp: Uth2 = 85(KV) Với dây quấn hạ áp: Uth1 = 25(KV) PHẦN II: CHỌN CÁC SỐ LIỆU XUẤT PHÁT VÀ TÍNH TOÁN KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU. Chiều rộng quy đổi của rãnh từ tản giữa dây quấn CA và HA Với Uth2 = 85KV theo (Bảng 19 – TKMBA- Phan Tử Thụ ) a12 = 27 (mm): khoảng cách giữa cuộn CA và HA δ12 = 5 (mm): ống cách điện giữa cuộn CA và HA ld2 = 50 (mm): chiều dài đầu thừa a22 = 20 (mm): khoảng giữa cuộn CA và CA l02 = 75 (mm): khoảng cách giữa dây quấn CA đến gông 2. Các hằng số tính toán a, b có thể lấy gần đúng Theo (Bảng 13,14 – TKMBA- Phan Tử Thụ ) a = 1,4 b = 0,34 3. Hệ số Kf = 0,96 (Bảng 15 – TKMBA- Phan Tử Thụ )): là hệ số tính đến tổn hao phụ trong dây quấn. 4. Hệ số ar, chiều rộng quy đổi từ trường tản giữa dây quấn CA và HA: Trong đó: (m) Với K = 0,6 Theo (Bảng 12 – TKMBA- Phan Tử Thụ ) Vậy Hệ số quy đổi từ trường tản Kr = 0.95 Các thành phần của điện áp ngắn mạch: PHẦN III. THIẾT KẾ MẠCH TỪ Chọn tôn silic Ở đây 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 mỏng. Tôn cán lạnh là loại tôn có vị trí sắp xếp các tinh thể gần như không đổi và có tính dẫn từ không đẳng 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 thép lên tới ( 1,6 -> 1,65)T trong khi đó 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 rút bớt được đáng kể chiều cao của MBA, rất thuận lợi cho việc chuyên chở. Tuy nhiên giá thành tôn cán lạnh có hơi cao nhưng do việc giảm được tổn hao và trọng lượng nên người ta tính rằng vẫn kinh té hơn những loại MBA được chế tạo bởi tôn cán nóng. lại định hướng ban đầu. Các lá thép kỹ thuật điện sau đó được sơn phủ cách điện mặt ngoài trước khi ghép chúng Ta chọn tôn cán lạnh mã hiệu 3405 có chiều dày 0,30 mm - Theo (Bảng 11 – TKMBA- Phan Tử Thụ ) ta chọn từ cảm trong trụ Bt=1,62T - Theo (Bảng 6 – TKMBA - Phan Tử Thụ) ta chọn hệ số tăng cường gông là Kg =1,025, Ta ép trụ bằng nêm với dây quấn, ép gông bằng xà ép, không dùng bu lông xuyên qua trụ, sử dụng cách ghép xen kẽ mối nối nghiêng ở 4 góc và cả trụ giữa. Do loại tôn cán lạnh có tính dẫn từ không đẳng hướng nên việc ghép nối giữa trụ và gông không thể thực hiện kiểu mối nối vuông góc như tôn cán nóng được vì như vậy góc ghép nối α≠0 khá lớn làm tăng tổn hao sắt mà ta phải dùng mối nối nghiêng hay là phải cắt vát lá tôn như (hình 1) khi đó góc α ≠ 0 sẽ nhỏ đi và tổn hao sắt sẽ giảm đáng kể Hình 1: Lá tôn cắt vát - Theo (Bảng 4 – TKMBA- Phan Tử Thụ) ta chọn số bậc thang trong trụ là 6, số bậc thang của gông lấy bằng 5 bậc. Hệ số ép chặt Kc = 0,931 : không có tấm sắt ép trụ - Hệ số điền dầy Kd = 0,955 (Bảng 10 – TKMBA- Phan Tử Thụ): Chịu nhiệt và phủ một lượt sơn cách điện. - Vậy hệ số lợi dụng: Kld = Kc. Kd = 0,913 . 0,955 = 0,87 - Từ cảm trong gông: (T) - Từ cảm ở khe hở không khí mối nối thẳng BK = Bt = 1,62 (T) - Mối nối nghiêng: (T) Suất tổn hao trong trụ và gông: - Tổn hao sắt ở trụ và gông Theo (Bảng 45 – TKMBA- Phan Tử Thụ) Pt = 1,194 (W/kg) Pg = 1,112 (W/kg) - Suất từ hoá trong trụ và gông Theo (Bảng 50 – TKMBA- Phan Tử Thụ) qt = 1,645 (VA/kg) qg = 1,449 (VA/kg) Chọn hệ số tối ưu β. - Chọn phương án tối ưu là phương pháp xác định hệ số hính dáng β hợp lý nhất trong các phương án đặt ra khi trị số β thường biến thiên trong phạm vi rất rộng từ 1,2 – 3,6 - β là trị số dùng để chỉ quan hệ giữa đường kính trung bình của các dây quấn d12 và chiều cao l của dây quấn, được gọi là tỉ số kích thước cơ bản của máy biến áp cũng là (quan hệ chiều rộng và chiều cao của máy) Hệ số β có ảnh hưởng rất lớn tới đặc tính kỹ thuật và kinh tế của máy biến áp: Về mặt kinh tế : - Nếu máy biến áp có cùng công suất, điện áp, các số liệu xuất phát và các tham số kỹ thuật thì : khi β nhỏ m.b.a gầy và cao, nếu β lớn thì máy biến áp béo và thấp . với những trị số khác nhau thì tỷ lệ trọng lượng sắt và đồng trong m.b.a cũng khác nhau :β nhỏ thì sắt ít lượng đồng nhiều, nếu β tăng lên thì trọng lượng sắt tăng lên và đồng lại giảm bớt đi. Như vậy việc chọn β thích hợp không chỉ ảnh hưởng đến kích thước mà còn ảnh hưởng đến vật liệu tác dụng chế tạo MBA, đến các vật liệu khác và dẫn đến ảnh hưởng đến giá thành của nó Về mặt kỹ thuật: - Hệ số β ảnh hưởng trực tiếp đến các tham số kỹ thuật của MBA như tổn hao và dòng không tải, độ bền cơ, sự phát nóng của dây quấn ... ví dụ khi β tăng thì đường kính d12 sẽ lớn lên, dẫn đến trọng lượng sắt tăng, do đó tổn hao sắt tăng, dòng điện không tải cũng tăng.muốn giữ cho tổng tổn hao không đổi khi β tăng thì trọng lượng đồng phải giảm xuống, nhưng lúc đó sẽ làm cho mật độ dòng địên và lực cơ giới tác dụng lên dây quấn lại tăng lên . Vì thế mà việc chọn hệ số β sao cho MBA thiết kế ra có những đặc điểm tối ưu, kinh tế nhất, mặt khác vẫn đảm bảo được những tham số kỹ thuật như tổn hao ngắn mạch Pn, không tải P0, dòng không tải I0, điện áp ngắn mạch phần trăm Un% ...đòi hỏi nhà thiết kế phải tính toán chọn lựa hợp lý Để chọn phương án được chính xác ta cần phải lập bảng xét các trị số β trong phạm vi 1.2 – 3,6: Tra (Bảng 17 – TKMBA- Phan Tử Thụ) đối với MBA dầu công suất 160 KVA dây đồng, điện áp 35 KV ta có phạm vi lựa chọn của = 1,8 – 2,4: Đường kính trụ của máy: d = A. x Trong đó A là hằng số Ta có hệ số: Trọng lượng sắt (GFe): GFe = GT+ Gg - Trọng lượng trụ: A1 = 5,663.104.a.A3.Kld = 5,663 .104 .1,4.( 0,132)3. 0,87 = 158,64 (kg) A2 = 3,605.104 .A2.Kld.l02 = 3,605. 104.(0,132)2.0,87. 0,075 = 40,98 (kg) Vậy - Trọng lượng gông: Gg = B1x3+ B2x2 B1=2,4.104.Kld.Kg.A3.(a+b+e) (kg) B1 = 2,4. 104.1,025.0,87.(0,132)3.(1,4+0,34+0,405)= 105,58 Kg B2 = 2,4. 104. Kld. Kg. A2 (a12 +a22) B1 = 2,4.104.1,025.0,87. (0,132)2. (0,027 + 0,020) = 17,52 (kg) Trong đó : Kg=1,025 : hệ số tăng cường tiết diện gông b=0,34 : hệ số a=1,4 : hệ số e=0,405 (MBA ba pha) : hệ số quy đổi 1/2 tiết diện trụ Kld=0,87 : hệ số lợi dụng l02=75 mm : cách điện giữa cao áp và gông A=0,132 : hệ số a12+a22=27+20 = 47 mm Vậy Gg= 105,58.x3 + 17,52x2 Vậy trọng lượng sắt Trọng lượng dây quấn: Với (kg) Vậy (Kg) Trong đó : Kdq=2,46.10-2 Kld=0,87 Kf=0,96 BT=1,62 Unr=1,468 A=0,132 a=1,4 6. Tính tổn hao a. Tổn hao không tải máy biến áp: P0 = k’f.(Pt.GT+ Pg.Gg ) = 1,25. (1,194GT + 1,112Gg) = 1,49GT+1,39Gg - Với k’f là hệ số phụ thuộc chủ yếu đến các đặc điểm của vật liệu làm lõi sắt đối với tôn cán lạnh do từ tính không phục hồi đầy đủ sau khi ủ, hoặc do có thể có mối ghép vuông góc, hoặc do có sự uốn nắn lá tôn lúc lắp ghép làm cho suất tổn hao tăng lên, Đối với tôn cán lạnh có thể lấy K’f= 1,25 - Pt=1,251(W/Kg) ; Là suất tổn hao trong trụ - Pg=1,168(W/Kg): Là suất tổn hao trong gông b. Công suất từ hóa lõi thép MBA. Q0= K”f (QC+Qf+QK) (VA) - Trong đó : K”f Hệ số kể đến sự phục hồi từ tính không hoàn toàn khi ủ, có thể lấy K”f = 1,2 đến 1,25.Ở đây ta chọn K”f = 1,2 Công suất từ hoá chung của trụ và gông QC= qt.GT+qg.Gg= 1,645.GT+1,449.Gg (VA) Trong đó : qt = 1,645 : Suất từ hóa trong trụ qg= 1,449 : Suất từ hóa trong gông (Bảng 50 – TKMBA- Phan Tử Thụ) Công suất từ hóa phụ đối với góc có mối nối nghiêng Qf = 40.qt.G0 = 40.1,645.G0 =65,8.G0 (VA) Trọng lượng một góc của lõi thép với tiết diện gông bậc thang. G0= 0,486.104.Kg.Kld.A3.x3 G0 = 0,486.104.1,025.0,87.(0,132)3.x3 = 9,96x3 (kg) Vậy Qf = 40.qt.G0 = 65,8. 9,96x3 = 655,36 x3 (VA) Công suất từ hoá khe hở không khí chỗ nỗi giữa các lá tôn Qk=3,2.qk.Tk (VA) Ở đây Tk là diện tích khe hở mối nối các lá tôn và được xác định như sau: - Diện tích khe hở ở mối nối thẳng Tk= Tt = 0,785 Kld. A2 . x2 = 0,785. 0,87. (0,132)2. x2 = 0,0118x2 () - Diện tích khe hở mối nối nghiêng Tk=Tt =1,11 Kld. A2 . x2 = 1.11 0,87. (0,132)2. x2 = 0,0168x2 () - Với Tt= 0,785 Kld. A2 . x2 là tiết diện trụ tính sơ bộ Và qk : là Suất từ hóa khe hở không khí theo mật độ từ thông Bk ở khe hở đó: Khi mối nối thẳng ta lấy qk theo BK = BT =1,62( T) Ở đây ta chọn mối nối nghiêng nên qk theo BK = = 1,145 (T), lúc này ta chọn qk=2800() (Bảng 50 – TKMBA- Phan Tử Thụ) Vậy Qk=3,2. 2800. 0,0168x2= 150,52x2 (VA) KL: Q0= 1,2 (1,645.GT+1,449.Gg+ 655,36x3+150,52 x2 ) (VA) 7. Giá thành vật liệu tác dụng: Ctd = CFe + Cdq Trong đó: CFe=GFe Cdq = Kdq . K .Gdq với Kdq=1,81 và K=1,06 (Bảng 16 – TKMBA- Phan Tử Thụ) Vậy Ctd = GFe + Kdq . K .Gdq 8. Thành phần phản kháng của dòng điện không tải 9. Mật độ dòng điện trong dây quấn: () Trong đó: K: Hệ số phụ thuộc vào điện trở suất của dây quấn Chọn K=2,4 Kf = 0,96 Pn = 2350 W Gdq = 10. Lập bảng xét 1,2 1,8 2,2 2,4 3,0 1,046 1,158 1.217 1,244 1,316 1,095 1,342 1,483 1,549 1.732 1,146 1,554 1,806 1,928 2,279 151,66 136,99 130,35 127,52 120,54 44,87 54,99 60,77 63,47 70,97 196,53 191,98 191,12 190,99 191,51 120,99 164,07 190,67 203,55 240,61 19,18 23,51 25,98 27,13 30,34 140,17 187,58 216,65 230,68 270,95 336,7 379,56 407,77 421,67 462,46 P0=1,49GT + 1,39GG 487,65 546,78 585,90 605,21 661,96 qtGt=1,645Gt 323,29 315,80 314,39 314,17 315,03 qgGg=1,449Gg 203,10 271,80 313,92 334,25 392,60 Qc=1,675GT +1,449GG 526,39 587,6 628,31 648,42 707,63 G0=9,96 11,41 15,47 17,98 19,20 22,69 Qf = 65,8 G0 750,77 1017,92 1183,08 1263,36 1493,00 Qk = 150,52 164,81 201,99 223,22 233,15 260,70 Q0=1,2(Qc+ Qf+ Qk) 1730,36 2169,01 2441,53 2573,91 2953,59 1,081 1,355 1,525 1,608 1,845 144,65 118,03 106,81 102,25 91,45 Kdq.k.Gdq=1,9186Gdq 277,43 226,38 204,86 196,11 175,40 614,13 605,94 612,63 617,78 637,86 2,547.106 2,819.106 2,963.106 3,029.106 3,204.106 d = A.x = 0,132.x 0,138 0,152 0,160 0,164 0,173 d12= a.d = 1,4d 0,193 0,212 0,224 0,229 0,242 0,505 0,369 0,319 0,299 0,253 C= d12+a12+b.d +a22 0,286 0,310 0,325 0,331 0,347 Trị số β thường biến thiên trong 1 phạm vi rất rộng từ 1,2 đến 3,6. Bằng phương pháp tính toán sơ bộ gần đúng máy biến áp và xét theo phạm vi lựa chọn của β theo (Bảng 17 – TKMBA- Phan Tử Thụ). Ta nhận thấy giá thành thấp nhất của máy biến áp khi β nằm trong khoảng từ 1,8 đến 2,4, khi đó đường kính trụ nằm trong khoảng 0,151 đến 0,162m.Trong khoảng đường kính đó tất cả các thông số thoả mãn điều kiện: i0 ≤ 2 % (theo đb) P0 ≤ 620 W (theo đb) Δ ≤ 4,5. 106 () Dựa vào bảng tính toán ta tìm được: d = 0,158 (m) Chọn đường kính theo tiêu chuẩn gần nhất ta có ddm = 0,16 (m) . Tính trị số βdm tối ưu ứng với ddm Vậy x = 1,211; x2 = 1,466; x3 = 1,775 Khi đó: P0 = 1,49GT+1,39Gg =580,85 620 (W) thỏa mãn i0 = 1,505 ≤ 2 % thỏa mãn Δ = 2,948.106 ≤ 4,5. 106 () Ctd = Ctd = GFe + Kdq . K .Gdq = 611,36 (kg) Trọng lượng dây quấn: (Kg) Trọng lượng của lõi: GFe = GT+ Gg = 191,06 + 213,08 = 404,14 (Kg) 12. Đường kính trung bình của rãnh dầu giữa hai dây quấn: d12 = a.d =1,4.0,16 = 0,224 (m) 13. Chiều cao dây quấn sơ bộ: (m) 14. Tiết diện hữu hiệu của trụ sắt: Tt = 0,785 Kld. A2 . x2 = 0,785. 0,87. (0,132)2 . 1,466 = 0,0177 () 15. Khoảng cách giữa các trụ lõi sắt: C = d12 + a12 +b.d +a22 = 0,224 + 0,027 + 0,16. 0,34 +0,020 = 0,325 (m)