Đề tài Thiết kế máy biến áp lò hồ quang

LỜI NÓI ĐẦU Trong sự nghiệp công nghiệp hóa đất nước nghành công nghiệp luyện kim đóng một vai trò đặc biệt quan trọng. Hiện tại trên thế giới cũng như ở Việt Nam, trong công nghiệp luyện kim, phương pháp luyện thép bằng lò hồ quang được dùng tương đối phổ biến, thay thế cho các loại lò điện trở truyền thống. Ngành công nghiệp luyện thép ở nước ta đã có từ lâu nhưng đến nay mới thực sự phát phát triển mạnh. Việc luyện thép bằng lò điện chiếm ưu thế rõ rệt do nó có một số ưu điểm mà các lò luyện thép khác không có, dùng lò điện luyện thép nhất là lò hồ quang, nhiệt độ luyện khi hồ quang cháy rất lớn, thép luyện ra có chất lượng cao, bởi khả năng khử tạp chất của nó rất lớn. Lò điện có thể dùng để luyện kim loại màu, kim loại đặc biệt. Dùng lò điện lợi về kinh tế do giá điện năng giảm nhiều nhờ sự phát triển mạnh mẽ của nghành điện lực, đáp ứng mọi nhu cầu sử dụng cho công nghiệp. Các loại lò điện trong ngành luyện kim sử dụng một loại máy biến áp đặc biệt gọi là máy biến áp lò, có hai loại máy biến áp lò là máy biến áp lò dùng cho lò điện trở và máy biến áp lò dùng cho lò hồ quang. Vì phụ tải của lò điện trở thay đổi rất ít, dòng diện cung cấp cho lò tương đối ổn định, hiện tượng ngắn mạch ít xẩy ra nên chế độ làm việc của máy biến áp lò điện trở ít nặng nề hơn lò hồ quang. Do vậy đặc điểm của máy biến áp lò điện trở giống với máy biến áp điện lực thông thường. Máy biến áp dùng cho lò hồ quang có nhiều đặc điểm khác với các loại máy biến áp điện lực thông thường. Trong quá trình làm việc của máy, do đặc điểm của dòng hồ quang là dòng điện trong chất khí, điện áp rơi trên thân hồ quang thấp, dòng điện qua lò hồ quang rất lớn, mặt khác các điện cực của lò cũng thường chạm vào kim loại trong giai đoạn nấu chảy nên hiện tượng ngắn mạch thường xuyên xẩy ra, hiện tượng ngắn mạch này gọi là ngắn mạch làm việc. Vậy trong quá trình làm việc máy biến áp lò thường xuyên phải chịu dòng điện ngắn mạch làm việc do đó chế độ làm việc của nó nặng nề hơn các loại máy biến áp khác. Các nhà máy luyện thép sử dụng nhiều loại lò hồ quang có dung tích khác nhau từ vài tấn đến vài chục tấn một mẻ nấu. Với dung tích càng tăng của lò hồ quang đòi hỏi phải có các loại máy biến áp lò có công suất lớn để phù hợp với các loại lò đó. Là một sinh viên của nghành Thiết Bị Điện - Điện Tử, sau khi hoàn thành khóa học em được giao nhiệm vụ thiết kế máy biến áp dùng cho lò hồ quang luyện thép với công suất của máy biến áp là 10.000 KVA. Để thực hiện đồ án này em đã tìm hiểu về yêu cầu của máy biến áp lò thông qua các quá trình của công nghệ luyện thép. Từ các yêu cầu này và các thông số yêu cầu của máy biến áp, việc thiết kế máy biến áp lò được tiến hành dựa trên cơ sở của việc thiết kế máy biến áp điệnlực thông thường, có chú ý đến các yêu cầu đặc biệt đối với các máy biến áp lò. Việc hoàn thành bản đồ án này là nhờ sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo, PSG.TS. Phạm Văn Bình cùng sự góp ý chỉ đạo của các thầy cô giáo trong bộ môn. Em xin chân thành cảm ơn! Mặc dù đã hết sức cố gắng để thực hiện tốt bản đồ án này nhưng do khả năng và trình độ có hạn nên bản đồ án này chắc chắn sẽ không tránh khỏi những sai sót. Em vô cùng biết ơn sự đóng góp và chỉ đạo quí báu của các thầy cô giao và các bạn đọc. Hà Nội ngày 29/05/2006 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tùng Lâm CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU VỀ MÁY BIẾN ÁP LÒ 1.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 1.1.1 Khái niệm chung Máy biến áp là một thiết bị biến đổi kiểu cảm ứng có hai hay nhiều dây quấn đứng yên hỗ cảm với nhau, dùng để biến đổi các thông số điện áp và dòng điện xoay chiều nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ. Máy biến áp hai dây quấn có thể bao gồm các máy biến áp một pha hay nhiều pha có hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp không nối với nhau về mặt điện. Năng lượng điện truyền từ dây quấn này sang dây quấn kia là nhờ sự liên hệ với nhau thông qua từ trường trong máy biến áp. Dây quấn của máy biến áp nhận điện năng từ lưới gọi là dây quấn sơ cấp. Dây quấn còn lại nhận điện năng từ dây quấn sơ cấp thông qua từ trường trong máy biến áp gọi là dây quấn thứ cấp. Dây quấn này có thể nối vào lưới điện hoặc cung cấp trực tiếp cho tải. Máy biến áp là một thiết bị được sử dụng rất rộng rãi, nhờ các máy biến áp điện năng được mà điện năng được truyền một cách hiệu quả từ nhà máy phát điện đến các hộ tiêu thụ. Để giảm tổn hao trên đường dây trong quá trình truyền tải điện năng đi xa, thì điện áp phải được thay đổi qua nhiều cấp do đó tổng dung lượng của máy biến áp trong hệ thống điện phải lớn hơn 4-6 lần so với công suất của lưới. Các máy biến áp được chế tạo theo những điều kiện kỹ thuật hay những yêu cầu của các hệ thống tiêu chuẩn, thực hiện các chức năng hoàn toàn xác định theo sự biến đổi điện năng. 1.1.2 Các đại lượng định mức Các tham số của máy biến áp bao gồm các đại lượng định mức của máy như sau: - Dung lượng định mức: Dung lượng định mức của máy biến áp được hiểu là công suất toàn phần đưa ra từ dây quấn thứ cấp tính bằng KVA hay VA. Trong máy biến áp hai dây quấn dung lượng định mức của hai dây quấn là như nhau và bằng dung lượng định mức của máy biến áp. - Điện áp định mức: Các điện áp dây của mỗi dây quấn ở các đầu dây ra ở chế độ định mức gọi là điện áp định mức của máy biến áp. - Các dòng điện định mức: Là những dòng điện dây của dây quấn sơ cấp và thứ cấp ứng với công suất và điện áp định mức, nó được tính bằng ampe (A) hay kiloampe (kA). Đại lượng này được tính theo dung lượng định mức và điện áp định mức của các dây quấn. I1đm=S1đm/U1đm. I2đm=S2đm/U2đm. - Tần số định mức:Tần số của dòng điện chạy qua MBA gọi là tần số định mức của máy biến áp, ở nước ta đối với các loại máy biến áp thông thường tần số này là 50 Hz. Ngoài ra còn có các thông số về điện áp ngắn mạch và dòng điện không tải. 1.1.3 Cấu tạo của máy biến áp Các máy biến áp thông thường có kết cấu chính gần như nhau bao gồm: lõi thép, dây quấn và vỏ máy. - Lõi thép Lõi thép dùng làm mạch dẫn từ, đồng thời làm khung để quấn dây quấn. Lõi thép có thể là kiểu trụ, kiểu bọc hoặc kiểu trụ bọc. Lõi thép của máy biến áp được chế tạo sao cho dòng xoáy và từ trễ gây ra tổn hao trong phạm vi cho phép vì vậy nó được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện có từ tính tốt, suất tổn hao thấp, điện trở suất cao và cách điện với nhau. Việc sử dụng các lá thép để ghép lại thành lõi thép làm xuất hiện khe hở không khí trong mạch từ, các khe hở không khí này làm gia tăng một cách đáng kể tổn hao không tải của máy biến áp. Để hạn chế tổn hao này người ta giảm khe hở không khí bằng cách ghép xen kẽ các lá thép. - Dây quấn Dây quấn là bộ phận dẫn điện của máy biến áp, làm nhiệm vụ thu năng lượng vào và truyền năng lượng ra. Kim loại làm dây quấn thường là đồng . Theo cách sắp xếp dây quấn cao áp và hạ áp người ta chia ra hai loại chính là dây quấn đồng tâm và dây quấn xen kẽ, ở các máy biến áp lò công suất lớn người ta thường thiết kế cuộn dây xen kẽ để tăng điện kháng cho máy biến áp. - Vỏ máy Vỏ máy gồm hai bộ phận là thùng và nắp thùng. Nó có tác dụng là bảo vệ ruột máy và làm thùng dầu . Ngoài ra máy biến áp còn có các chi tiết cần thiết khác như: Sứ, thiết bị bảo vệ, chuyển mạch… 1.2 GIỚI THIỆU VỀ LÒ HỒ QUANG. Lò hồ quang là loại lò điện sử dụng nhiệt lượng của hồ quang điện làm nguồn nhiệt để nấu chảy kim loại trong quá trình luyện kim. 1.2.1 PHÂN LOẠI LÒ HỒ QUANG. Trong công nghiệp luyện kim có nhiều loại lò hồ quang, tùy theo cách phân loại mà ta có các loại sau. - Lò hồ quang trực tiếp: (hình 1.1) Hồ quang xuất hiện giữa điện cực và bề mặt kim loại cần nấu chảy. Loại này được sử dụng để luyện kim loại có độ nóng chảy cao (thép…). Do điện cực nằm thẳng đứng nên người ta có thể tăng đường kính điện cực (gần như không hạn chế) để tăng công suất lò. Ngoài ra điện cực cũng che một phần bức xạ nhiệt đến thành lò và nắp lò, làm tăng tuổi thọ lò. - Lò hồ quang gián tiếp: (Hình 1.2) Hồ quang xuất hiện giữa hai điện cực, nhiệt lượng gián tiếp truyền và kim loại cần nấu chảy. Loại này được sử dụng để luyện kim loại có độ nóng chảy thấp (đồng, thiếc…) và thường chế tạo với công suất không quá 600 KW. Bức xạ hồ quang làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của lò. Trong thực tế không tồn tại lò hồ quang trực tiếp hay gián tiếp hoàn toàn. -Lò hồ quang nổi và lò hồ quang chìm: Đặc điểm lò luyện thép và lò luyện kim loại màu bằng lò điện hồ quang còn phân biệt ở loại hồ quang nổi và hồ quang chìm. Lò luyện thép là loại hồ quang nổi, điện áp thứ cấp (điện áp làm việc) của máy biến áp lò nằm trong khoảng 190 ¸ 350 vôn, khi máy làm việc hay xẩy ra ngắn mạch, để hạn chế dòng điện ngắn mạch người ta thường nối tiếp thêm một kháng điện, kháng điện ngoài nhiệm vụ hạn chế dòng điện ngắn mạch nó còn giúp ổn định dòng hồ quang (do đặc tính ngoài của máy biến áp lúc đó dốc hơn). Lò luyện kim loại màu là loại hồ quang chìm, điện áp thứ cấp của máy biến áp lò thấp hơn, nằm trong khoảng 50 ¸ 110 vôn, nếu so sánh với máy biến áp lò luyện thép cùng công suất thì dòng điện làm việc (thứ cấp) máy biến áp lò luyện kim màu lớn hơn (do điện áp nhỏ hơn). Do hồ quang cháy chìm, có lớp xỉ bề mặt nên điện trở ngắn mạch của lò hồ quang chìm lớn hơn lò hồ quang nổi vì vậy dòng điện ngắn mạch của lò hồ quang chìm nhỏ hơn so với lò hồ quang nổi, để hạn chế dòng ngắn mạch người ta thường chỉ cần thiết kế máy biến áp có điện áp ngắn mạch Un = 12 ¸ 16% và không cần nối tiếp thêm cuộn kháng bên ngoài. Các loại luyện đá mài, đất đèn… bằng lò hồ quang cũng thuộc lò hồ quang chìm. 1.2.2 CÁC GIAI ĐOẠN LUYỆN MỘT MẺ THÉP. 1.Giai đoạn nạp liệu: Đưa nguyên liệu đã làm sạch vào lò. Máy biến áp chưa làm việc. 2.Giai đoại nung nóng liệu và nấu chảy kim loại. Trong giai đoạn này lò cần công suất nhiệt lớn nhất, điện năng tiêu thụ chiếm khoảng 60 ÷80% năng lượng toàn mẻ nấu và thời gian của nó chiếm khoảng 50÷60% toàn bộ thời gian một chu trình. Để đảm bảo công suất nấu chảy, ngọn lửa hồ quang cần phải cháy ổn định. Khi cháy điện cực bị ăn mòn dần, khoảng cách giữa điện cực và kim loại tăng lên. Để duy trì hồ quang, điện cực phải được điều chỉnh gần vào kim loại. Lúc đó dễ xảy ra hiện tượng bị chạm vào bề mặt kim loại-gọi là quá điều chỉnh và gây ra ngắn mạch làm việc. Ngắn mạch làm việc tuy xảy ra trong thời gian ngắn nhưng lại hay xảy ra nên máy biến áp lò thường phải làm việc trong điều kiện nặng nề. Đây là đặc điểm nổi bật cần lưu ý khi thiết kế máy biến áp lò và chọn các thiết bị cho lò hồ quang. Ngắn mạch làm việc cũng có thể xẩy ra do sụt lở các thành của hố bao quanh đầu điện cực tạo ra trong liệu. Rồi sự nóng chảy của các mẫu liệu cũng có thể phá huỷ ngọn lửa hồ quang do tăng chiều dài ngọn lửa lúc đó phải hạ điện cực xuống cho chạm kim loại rồi nâng lên để tạo hồ quang. Trong giai đoạn này số lần ngắn mạch làm việc có thể tới 100 lần hoặc hơn. Mỗi lần xẩy ra ngắn mạch làm việc, công suất hữu ích giảm mạnh và có khi bằng 0 với mức tổn hao cực đại. Thời gian cho phép của một lần ngắn mạch làm việc là 2÷3 s. Tóm lại giai đoạn nấu chảy là giai đoạn hồ quang hồ quang cháy kém ổn định nhất, công suất nhiệt của hồ quang dao động mạnh và ngọn lửa hồ quang rất ngắn, thường từ vài milimet đến 10÷15mm. Trong giai đoạn này cần cung cấp cho lò một công suất lớn nhất. 3.Giai đoạn oxy hóa kim loại : Đây là giai đoạn khử cacbon của kim loại đến một giới hạn nhất định tuỳ theo yêu cầu công nghệ, khử P và S, khử khí trong gang rồi tinh luyện. Sự cháy hoàn toàn cacbon gây sôi mạnh kim loại. Công suất nhiệt trong giai đoạn này chủ yếu dùng để bù lại các tổn hao nhiệt và nó bằng khoảng 60% công suất nhiệt của giai đoạn 2. Hồ quang cháy ổn định, sự ngắn mạch ít xẩy ra. 4.Giai đoạn tháo xỉ: Sau oxy hóa, xỉ được tháo ra ngoài, giai đoạn này máy biến áp không làm việc. 5.Giai đoạn hoàn nguyên: Giai đoạn này hồ quang chỉ duy trì để giữ nhiệt độ khử bởi oxy, lưu huỳnh…trong thép và chuẩn bị cho thép ra lò. Công suất sử dụng vào cỡ 50% công suất cực đại. Mặt kim loại bằng phẳng ít xẩy ra ngắn mạch trong giai đoạn này. Quá trình một mẻ luyện được biểu diễn trên hình vẽ 1.3, trong đó: Trục t biểu diễn thời gian của các giai đoạn nấu luyện Trục P biểu diễn tỉ số công suất đưa vào lò và công suất cực đại ở giai đoạn 2. 1.3 ĐẶC ĐIỂM CỦA MÁY BIẾN ÁP LÒ HỒ QUANG. Máy biến áp lò là loại máy biến áp đặc biệt được dùng trong công nghiệp luyện kim. Phụ tải của máy biến áp lò là lò hồ quang hoặc lò điện trở. Lò điện trở là loại lò điện truyền thống, có công suất nấu luyện nhỏ, hiệu suất thấp, ngày nay ít được sử dụng và chủ yếu dùng cho sản xuất thủ công với công suất nhỏ. Phụ tải của lò điện trở ít thay đổi, nên máy biến áp dùng cho lò điện trở thường không có yêu cầu về thay đổi điện áp, hiện tượng ngắn mạch cũng ít xẩy ra do đó nó làm việc ít nặng nề hơn lò hồ quang. Đặc điểm của máy biến áp lò điện trở giống với máy biến áp điện lực thông thường. Máy biến áp lò hồ quang phải làm việc trong các điều kiện đặc biệt nặng nề về điện do đó nó có một số đặc điểm riêng cần lưu ý khi thiết kế để phù hợp với các chế độ làm việc của lò hồ quang. - Máy biến áp phải có điện áp ngắn mạch lớn để hạn chế dòng ngắn mạch dưới (2,5÷4)Iđm . Đối với lò luyện thép, do tổng trở ngắn mạch (điện cực - thép) nhỏ, để hạn chế dòng ngắn mạch thường phải chế tạo thêm kháng điện nối tiếp với máy biến áp khi lò ở giai đoạn nấu chảy, hết giai đoạn này kháng điện bị loại bỏ. - Máy biến áp phải có độ bền cơ đủ chịu lực điện động khi có ngắn mạch xẩy ra. - Máy biến áp phải được làm mát tốt vì đặt trong nhà, gần lò, nhiều bụi và nóng. - Máy biến áp phải có khả năng điều chỉnh điện áp trong một giới hạn rộng để thích ứng việc điều chỉnh công suất cấp cho lò hồ quang trong từng giai đoạn nấu luyện. Người ta thường điều chỉnh điện áp bằng các biện pháp sau đây: Đổi nối Y-D dây quấn sơ cấp Thay đổi số vòng dây của dây quấn sơ cấp (bằng hệ thống chuyển mạch) Dùng biến áp tự ngẫu - Máy biến áp phải được chế tạo lớn hơn máy biến áp điện lực cùng công suất để thích ứng với điều kiện thường xuyên phải làm việc quá tải. - Máy biến áp có dòng làm việc (dòng thứ cấp) rất lớn nên dây quấn thứ cấp của máy thường được phép song song từ nhiều sợi, do đó để thuận tiện cho việc đưa đầu dây thứ cấp lên mặt máy theo kinh nghiệm ta bố trí xen kẽ các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp. - Cũng do dòng điện làm việc của máy biến áp rất lớn nên nhằm mục đích giảm dòng điện chạy trong cuộn thứ cấp, cuộn thứ cấp thường được đấu hình tam giác. - Máy biến áp được chế tạo theo đơn đặt hàng theo từng loại lò, chế tạo đơn chiếc. - Giá thành máy biến áp lò cao hơn giá thành máy biến áp điện lực cùng công suất. 1.4 CÔNG SUẤT VÀ ĐIỆN ÁP LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP LÒ 1.4.1 Kim loại màu -Nếu lò được thiết kế thời gian nấu một mẻ là 24 giờ, thì năng suất một mẻ quan hệ với công suất tiêu thụ theo công thức: B(tấn/mẻ) = S - công suất máy biến áp lò (kVA); cosj = 0,75¸0,85 k1 = là hệ số sử dụng công suất, W - năng lượng tiêu hao thực. S.cosj.n năng lượng tính toán: -Hệ thống điều khiển hoàn thiện k1 =1 -Hệ thống bán tự động k1=0,9 n- số giờ một mẻ nấu (24 giờ) A- suất tiêu hao năng lượng trên một tấn sản phẩm Luyện thiếc hiện đại A=900-1100 kWh/1tấn Luyện thiếc bán tự động A=2100 kWh/1tấn -Nếu biết năng suất của lò có thể tìm ra công suất của máy biến áp theo công thức: S = -Điện áp làm việc của máy biến áp. Chọn điện áp làm việc hợp lý tạo điều kiện cho chế độ nấu luyện ổn định. Điện áp Utt tính theo công suất một pha của máy biến áp theo công thức: Utt = k.Sn Trong đó: Utt (vôn) S (kVA) - công suất một pha của máy biến áp Với lò luyện thiếc, n=0,325 k=21 Điện áp làm việc của máy biến áp không thay đổi trong khoảng: U2=(0,5¸1,15) Utt -Số nấc điện áp phụ thuộc vào công nghệ luyện kim. 1.4.2 Luyện thép Theo GOCT 7206-54 và 7207-54 quan hệ giữa dung tích lò, công suất máy biến áp, điện áp làm việc của máy biến áp và số nấc điều chỉnh được thống kê trong bảng dưới đây(Bảng 22-2 tài liệu 1). Đối với máy biến áp nhỏ dùng cho các loại lò có dung tích 0,5; 1,5; 3 tấn, do điều kiện tự động hóa còn hạn chế, máy biến áp làm việc nặng nề hơn, thường chọn công suất máy biến áp tăng từ 20%¸40% công suất tính toán. Dung tích lò Tấn/mẻ S tính toán kVA Điện áp U1 kV Điện áp U2 V Số cấp điện áp Ghi chú 0,5 1,5 3,0 5,0 10,0 20,0 40,0 80,0 400 1000 1800 2800 5000 9000 15000 25000 6-10 6-10 6-10 6-10 6-10 6-10 35 35 212-110 224-116 245-121 260-116 280-116 320-116 360-127 420-133 2-4 2-4 4-5 8 8 8 ³12 ³12 Chọn 500-600kVA 1200-1400 kVA Đối với máy biến áp lò có công suất 10.000 kVA, điện áp sơ cấp 10 kV. Theo thống kê ở bảng trên ta thiết kế phía hạ áp có 8 cấp điện áp, dải điều chỉnh điện áp 120¸320V. 1.5 TÍNH CHỌN ĐIỆN KHÁNG CHO MÁY BIẾN ÁP Độ lớn của kháng điện tùy thuộc công suất lưới điện và công suất máy biến áp. Để hạn chế dòng điện ngắn mạch làm việc của máy biến áp nhỏ hơn (2,5÷4)Iđm thì tổng điện áp ngắn mạch của máy biến áp, của kháng điện và của mạng phải nằm trong khoảng 25% đến 40%. Khi thiết kế máy biến áp người ta thấy điện áp ngắn mạch của nó nằm trong khoảng 7÷10% là thuận lợi cho việc thiết kế nhất. Vì vậy tổng điện áp ngắn mạch của kháng điện và của lưới phải bằng khoảng 30÷33%. Các loại máy biến áp công suất nhỏ sử dụng lưới điện có điện áp ngắn mạch nhỏ do vậy cần điện kháng có điện áp ngắn mạch lớn đến 20÷25%, còn các loại máy biến áp có công suất lớn đến 15.000÷20.000 kVA do điện áp ngắn mạch của lưới rất lớn nên không cần dùng điện kháng để hạn chế dòng ngắn mạch mà chỉ cần chế tạo máy biến áp có điện áp ngắn mạch khoảng 8÷10% là được. Sau đây là bảng thống kê điện áp ngắn mạch của máy biến áp,của điện kháng và của mạng điện theo công suất của máy biến áp.(Bảng 22-1 tài liệu 1) Dung lượng kVA Điện áp ngắn mạch 400 1000 1800 2800 5000 9000 15000 20000 uk%(máy biến áp) uk%(mạng) uk%(Cuộnkháng) 7~10 5 25~28 7~10 7 25 7~10 10 18 6~8 12 15 >8~10 16 10 8~10 25 5 8~10 30 - 8~10 32,5 - Với máy biến áp công suất 10.000 kVA theo thống kê ở bảng trên ta chọn máy biến áp có un = 8%, kháng điện có điện áp ngắn mạch là 5%. CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN CÁC KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU CỦA MÁY BIẾN ÁP 2.1. CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU Công suất định mức: S= 10.000 KVA Điện áp định mức : = 10000/320 V Tổ đấu dây D/D12 Tần số : f=50Hz Tổn hao không tải : Theo TCVN P0=13 kW Tổn hao ngắn mạch : Theo TCVN Pn=100kW Dòng điện không tải : io=2,0% Điện áp ngắn mạch : un=8% Kiểu máy: Ba pha ba trụ, ngâm dầu, làm lạnh bằng đối lưu tự nhiên. 2.2. TÍNH CÁC ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN Dựa vào nhiệm vụ thiết kế trước hết xác định các đại lượng cơ bản sau đây: Dung lượng mỗi trụ của lõi thép. Trong đó t là số trụ tác dụng t=3, S là công suất lớn nhất của máy biến áp ứng với điện áp thứ cấp U2 = 320 V. Dòng điện pha định mức. Do cả phía cao áp và hạ áp đều nối tam giác nên ta có: - Phía cao áp - Phía hạ áp Điện áp pha định mức. - Điện áp pha định mức phía cao áp - Điện áp pha định mức phía hạ áp Điện áp thử dây quấn: Để xác định khoảng cách cách điện giữa các dây quấn, các phần dẫn điện khác và các bộ phận nối đất của máy biến áp cần phải biết các trị số điện áp thử của chúng. Dựa theo cấp điện áp của dây quấn chọn điện áp thử tương ứng. Theo bảng 14-5 trang 105 tài liệu 1 ta có: - Điện áp thử dây quấn cao áp có điện áp làm việc 10KV Ut1=25 (KV) - Điện áp thử dây quấn hạ áp có điện áp làm việc 320V Ut2=3(KV) Các thành phần điện áp ngắn mạch. - Thành phần tác dụng của điện áp ngắn mạch Pn : tổn hao ngắn mạch (W) S : dung lượng máy biến áp (kVA) Thay số vào ta được - Thành phần phản kháng của điện áp ngắn mạch 2.3. THIẾT KẾ SƠ BỘ LỖI SẮT VÀ TÍNH TOÁN CÁC KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU CỦA MÁY BIẾN ÁP. 2.3.1. Thiết kế sơ bộ lõi sắt. Lõi sắt của máy biến áp gồm hai bộ phận chính, trụ và gông. Lõi sắt là phần mạch từ của máy biến áp do đó thiết kế nó cần phải làm sao cho tổn hao chính cũng như tổn hao phụ nhỏ, dòng điện không tải nhỏ, trọng lượng tôn silic ít và hệ số điền đầy của lõi sắt cao. Mặt khác lõi sắt còn làm khung mà trên đó để nhiều bộ phận quan trọng của máy biến áp như dây quấn, giá đỡ dây dẫn ra. Hơn nữa, lõi sắt có thể chịu những lực cơ học lớn khi dây quấn bị ngắn mạch. Vì vậy yêu cầu thứ hai của lõi sắt là phải bền và ổn định về cơ khí. Để tăng hệ số lợi dụng lõi thép và tiết kiệm dây quấn thì trụ được làm từ lá thép kỹ thuật điện ghép lại thành hình bậc thang vì vậy lá thép dùng để làm trụ gồm nhiều thếp có kích thước khác nhau. Số bậc thang của trụ càng nhiều thì tiết diện trụ càng gần tròn, nhưng số tập lá thép càng nhiều, nghĩa là số lượng các lá tôn có kích thước khác nhau càng nhiều làm cho quá trình chế tạo lắp ráp lõi thép càng phức tạp. Để đảm bảo được đường kính tiêu chuẩn, kích thước lá thép từng tệp trong trụ và số bậc của trụ cũng được tiêu chuẩn hóa. Ép trụ có rất nhiều cách, tùy theo công suất và đường kính trụ máy biến áp. Để giảm tổn hao trong mạch từ và đảm bảo cho mạch từ chắc chắn và lực ép phân bố đều trên lõi thép ta dùng băng vải thủy tinh. 2.3.2. Tính toán lựa chọn phương án. Hình 2.1: Kích thước cơ bản và khoảng cách cách điện chính của máy biến áp. Trên hình 2.1: D: đường kính trụ sắt lv: chiều cao dây quấn Ds: đường kính trung bình của dây quấn Trong tính toán thiết kế máy biến áp khi xác định được các kích thước cơ bản trên thì ta xác định được các kích thước khác cũng như hình dáng của máy biến áp. Có nhiều phương pháp để tìm hình dáng tối ưu của máy biến áp, trong số đó ta sử dụng phương pháp hệ số hình dáng b của học giả Tihomirov. Trị số b dùng để chỉ quan hệ giữa đường kính trung bình của các dây quấn Ds với chiều cao của nó lv: Với máy biến áp thường trị số này biến thiên trong khoảng rộng 1,0 đến 3,6. Với máy biến áp lò b=1,6¸2 và ảnh hưởng rất lớn tới đặt tính kỹ thuật và kinh tế của máy biến áp. 2.3.2.1 Chọn các số liệu xuất phát và tính các kích thước chủ yếu. Các số liệu xuất phát được chọn theo điện áp thử của các cuộn dây cao áp và hạ áp -D là khoảng cách giữa cuộn cao áp và hạ áp. Theo bảng 10 trang 12 tài liệu 3 ta có -D1, D2 là bề dày của cuộn cao áp và hạ áp, theo công thức (20-13a) tài liệu 1 ta có thể ước tính: D1+ D2 =K. Với máy biến áp đang thiết kế chọn K=1,5. D1+ D2 =K. - Chiều rộng qui đổi từ trường tản - Hệ số qui đổi từ trường tản: kr qui đổi từ trường tản thực tế về từ trường tản lý tưởng hệ số này thay đổi rất ít trong tính toán sơ bộ ta chọn kr =0,95 -Theo (20-41d) tài liệu 1 chọn tỉ số d=Ds/D=1,4 -Theo (20-41e) tài liệu 1 chọn b=2.D2/D=0,25 2.3.2.2. Chọn vật liệu. Chọn tôn cán lạnh mã hiệu 3404 dày 0,35mm của cộng hòa liên bang Nga, mật độ từ cảm Bt=1,62T. Chọn số bậc của trụ là 9 bậc, của gông ít hơn trụ một bậc, tấc là 8 bậc, tiết diện của gông lớn hơn của trụ với hệ số kG==1,03. Do đó BG==1,57T Suất tổn hao sắt trong trụ và gông: Đối với tôn cán lạnh 3404 dày 0,35mm. Tra bảng 44-1b trang 592 tài liệu 1 ta có: pt = 1,353(W/Kg); qt=1,958(Var/Kg); pG=1,230(W/Kg); qG=1,625(Var/Kg); 2.3.2.3. Các khoảng cách cách điện chính. Dựa vào điện áp thử của cuộn cao áp và cuộn hạ áp, đối với dây quấn xen kẽ tra bảng 10 trang 12 tài liệu 3 ta có các khoảng cách cách điện chính. - Trụ và dây quấn e=25mm - Giữa dây quấn cao áp và hạ áp D=16mm - Từ dây quấn đến đến gông d=40mm - Khoảng cách giữa các dây quấn của các pha cạnh nhau c=20mm 2.3.2.4. Thiết lập công thức tính khối lượng vật liệu tác dụng. Xuất phát từ công thức tính đường kính trụ (20-40) tài liệu 1: (2-1) Ta có những nhận xét sau: - Đối với máy biến áp thiết kế thì St, unx, f đã biết - Từ cảm Bt được chọn tương ứng với mã hiệu thép được chọn - Các hệ số kld, kr,, ar hầu như thay đổi rất ít. Vậy trong biểu thức đường kính D chỉ còn lại là biến đổi trong phạm vi rộng quyết định sự thay đổi của đường kính D, ta đặt D=A.x A=(2-2) x= (2-3) Tìm hình dáng tối ưu của máy biến áp tức là tìm b để cho máy biến áp có chi phí vật liệu tác dụng thấp nhất mà vẫn thoả mãn được các chỉ tiêu kỷ thuật. 2.3.2.4.1. Khối lượng vật liệu tác dụng của máy biến áp. a) Khối lượng tác dụng của lõi sắt Lõi sắt gồm hai phần trụ và gông. Căn cứ vào kích thước hình học của nó, biết khối lượng riêng của sắt ta tính được khối lượng của nó. -Khối lượng trụ: Theo công thức (20-41a) tài liệu 1 ta có: Trong đó: A1=5.663.10-2.d.A3kld (kg) A2=3.605.10-2 A2.kld.d (kg) A là hệ số tính theo công thức (2-2) - Khối lượng gông : Theo công thức (20-41a) tài liệu 1 ta có: Gg= B1x3+B2x2 (kg) Trong đó: B1=2,4.10-2 kG.kld.A3(d+b+0,411): B2=2,4.10-2.kG.kld.A2(D+c) b) Khối lượng dây quấn: Theo công thức (20-41b) tài liệu 1 ta có : Trong đó Đối với máy biến áp dầu, dây quấn đồng chọn kdq=2,46.10-2 2.3.2.5. Tính các hệ số. Hệ số lợi dụng lõi thép: kld=kp.kc, với kp= Trong đó St là tiết diện hình bậc thang của trụ, Sk là tiết diện của hình tròn có bán kính Dt của trụ. Với trụ có 9 cấp, tra bảng 13.2 tài liệu 4 ta có kp=0,929. kc là hệ số ép chặt, chọn kc = 0,93 A= A1=5,66.10-2.d.A3.kld= A2=3,60.10-2A2.kld.d=(kg) B1=2,4.10-2kG.kld.A3(d+b+0,411) =(kg) B2=2,4.10-2.kG.kld.A2(D+c)=(kg) 2447,4(kg) 2.3.2.6. Tiết diện trụ: sơ bộ tính theo công thức (20-46) của tài liệu 1 812.x2 2.3.2.7. Tiết diện khe hở không khí: Đối với mối nối nghiêng ta có =1148x2 2.3.2.8. Tổn hao không tải: xác định theo công thức (20-45) tài liệu 1 Với kp là hệ số tổn hao phụ, tra bảng (20-1a) tài liệu 1 ta được kp = 1,25. Thay số vào ta được 2.3.2.9. Công suất từ hóa: theo công thức (2-63) trang 49 tài liệu 2 ta có Q0 = k”f(Qc+Qf+Qk) kf” là hệ số kể đến sự phục hồi từ tính không hoàn toàn sau khi ủ lại lá tôn cũng như sự uốn nắn và ép lõi thép, tra bảng 4-1a tài liệu 1, với Bt= 1,62T ta được k”f = 2,18 Qc là công suất tổn hao chung của trụ và gông. Qc= qt.G’t+qg.Gg=1,958G’t+1,625Gg Qf là công suất từ hóa phụ đối góc có mối nối thẳng. Qf=40qtG0 Với G0 là khối lượng của một góc mạch từ. G0=0,492.10-2.kG.kld.A3.x3=0492.10-2.0,864.1,03.34,63.x3=181.x3 Qf=40.1,958.181.x3=14176.x3 Qk là công suất từ hóa ở những khe hở nối giữa các lá thép. Qk=3,2.qk.Sk qk là suất từ hóa khe hở ứng với Bt, tra bảng 5.13 của tài liệu 4 ta được qk=2,51(VA/cm2), Qk=3,2.2,51.1148x2=9220x2 Thay số vào ta được: Q0=2,18(1,958G’t+1,625Gg+14176.x3+9220x2) Q0=4,27G’t+3,54Gg+30903,7x3+20099,6x2 2.3.2.10. Dòng điện không tải. - Dòng điện không tải tác dụng ior=% - Dòng điện không tải phản kháng i0x=% - Dòng điện không tải toàn phần io =% Các số liệu tính toán được ghi trong bảng sau. b 1,2 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 1,047 1,125 1,158 1,189 1,218 1,245 1,095 1,265 1,342 1,414 1,483 1,549 1,147 1,423 1,554 1,682 1,806 1,928 2709,51 2521,48 2448,32 2384,67 2328,52 2278,41 A2x2=149x2 163,22 188,47 199,90 210,71 221,00 230,83 G’t=(A1/x)+A2x2 2872,73 2709,95 2648,22 2595,39 2549,52 2509,24 B1x3 2090,47 2593,86 2833,43 3066,41 3293,63 3515,73 B2x2 100,78 116,37 123,43 130,10 136,45 142,52 Gg=B1x3+B2x2 2191,252 2710,241 2956,861 3196,521 3430,091 3658,264 Gt=G’t+Gg 5063,98 5420,19 5605,08 5791,91 5979,60 6167,51 kP.pt.G’t 4854,92 4579,82 4475,40 4386,21 4308,73 4240,60 kp.qg.Gg 3374,52 4173,77 4553,56 4922,64 5282,33 5633,77 P0 8229,44 8753,59 9029,06 9308,85 9591,03 9874,35 k”f.qt.G’t 12266,56 11571,51 11307,91 11082,31 10886,47 10714,49 k”f.qg.Gg 7757,03 9594,25 10467,28 11315,68 12142,52 12950,25 30903,7x3 35432,06 43964,33 48024,72 51973,62 55824,84 59589,38 20099,6x2 22018,00 25424,20 26966,44 28425,12 29812,52 31138,16 Q0 77473,66 90554,30 96766,37 102796,7 108666,3 114392,2 i0x%=Q0/10S 0,775 0,906 0,968 1,028 1,087 1,144 Gdd 2370,221 2052,671 1935,277 1835,965 1750,524 1675,999 kFeGdd=2,6.Gdd 6162,574 5336,945 5031,720 4773,509 4551,362 4357,598 C’td 11226,55 10757,14 10636,80 10565,42 10675,97 10780,11 Dựa vào kết quả của bảng trên ta thấy: Với các giá trị của b đã chọn thì P0 và i0% đều thoã mãn yêu cầu thiết kế:P0<13.000W; io%<2%. Nhưng để chi phí vật liệu tác dụng nhỏ nhất thì ta chọn b nằm trong khoảng từ 1,8÷2,2. Để thấy rõ hơn điều này ta vẽ các quan hệ P0=f(b), i0%=f(b),C’td=f(b) trên các hình 2.2 và 2.3. Để thuận lợi cho việc tiêu chuẩn hoá các lá thép, theo kinh nghiệm khi thiết kế máy biến áp lò người ta thường chọn b=1,8. Theo hình 2.3 chi phí vật liệu tác dụng nhỏ nhất khi b»2,0, nhưng với b nằm trong khoảng 1,8÷2,2 thì chi phí vật liệu tác dụng cũng thay đổi không đáng kể. Vậy ta có thể chọn b=1,8 để phù hợp với kinh nghiệm thiết kế máy biến lò. Từ đó ta có các kích thước cơ bản của máy biến áp: Đường kính trụ lõi thép D==45,05 cm Chọn D= 45 cm Tiết diện sơ bộ của trụ St=kld.=0,864.=0,1450 m2 Đường kính trung bình của dây quấn Ds=d.D=1,4.45=63 cm Chiều cao sơ bộ của dây quấn LV= Lấy Lv= 110 cm CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN DÂY QUẤN MÁY BIẾN ÁP LÒ 3.1.CÁC YÊU CẦU CHUNG ĐỐI VỚI DÂY QUẤN Yêu cầu chung về dây quấn có thể chia thành hai loại yêu cầu đó là yêu cầu về vận hành và yêu cầu về chế tạo. 3.1.1. Yêu cầu về vận hành Có thể chia thành yêu cầu về mặt điện, mặt cơ và nhiệt. a) Về mặt điện Khi vận hành dây quấn máy biến áp phải chịu được điện áp và dòng điện định mức. Cách điện của máy biến áp phải đủ tốt để không bị đánh thủng do hiện tượng quá điện áp của lưới điện. Dây quấn cũng phải chịu được dòng điện ngắn mạch thường xuyên xẩy ra. b) Về mặt cơ học Dây quấn không bị biến dạng hoặc hư hỏng dưới tác dụng của lực cơ học do dòng điện ngắn mạch gây nên. c) Về mặt chịu nhiệt Khi vận hành bình thường cũng như trong trường hợp ngắn mạch, trong một thời gian nhất định, dây quấn không được nóng quá nhiệt độ cho phép. Vì lúc đó chất cách điện sẽ bị nóng qúa mà chóng hư hỏng hoặc bị già hóa làm cho nó mất tính đàn hồi, hóa giòn và mất tính chất cách điện. 3.1.2. Yêu cầu về chế tạo Yêu cầu sao cho kết cấu đơn giản, tốn ít nguyên liệu và nhân công, thời gian chế tạo ngắn và giá thành hạ nhưng vẫn đảm bảo được các yêu cầu về mặt vận hành. 3.2. THIẾT KẾ DÂY QUẤN HẠ ÁP 3.2.1. Lựa chọn kết cấu dây quấn hạ áp Việc lựa chọn kết cấu dây quấn kiểu nào là phải tùy thuộc vào yêu cầu về vận hành và chế tạo trong nhiệm vụ thiết kế. Những yêu cầu chính là: đảm bảo độ bền về mặt điện, cơ, nhiệt, đồng thời chế tạo đơn giản và rẻ tiền. Đối với máy biến áp lò có công suất lớn, để thuận lợi cho việc lấy đầu dây ra người ta thường bố trí xen kẽ cuộn dây sơ cấp và thứ cấp, cuộn dây xen kẽ còn có một số đặc điểm phù hợp với máy biến áp lò như: tản nhiệt tốt, điện kháng tản lớn, lực hướng tâm trong trường hợp ngắn mạch nhỏ do vậy đối với máy biến áp đang thiết kế ta chọn kiểu dây quấn xen kẽ Vì máy biến áp lò có điện áp sơ cấp nhỏ (10KV) mà khoảng cách cách điện lớn nên để dễ bố trí phần dây quấn điều chỉnh điện áp và sắp xếp dây dẫn ra ta có thể bố trí cuộn cao áp ở gần xà mà vẫn đảm bảo cách điện giữa cuộn cao áp và xà. Phần dây quấn trên 1 trụ được chia làm 6 nhóm xen kẽ như hình vẽ 3.1 3.2.2. Tính toán dây quấn hạ áp Điện áp vòng sơ bộ tính theo công thức (4) trang 14 tài liệu 3. Uvòng=(0,8¸0,9)=(0,8¸0,9)=46,2¸54 (V) Chọn Uvòng= 53,3V Số vòng dây cuộn hạ áp: W2= (Vòng) Tính lại điện áp vòng Uvòng= =53,333 (V) Mật độ từ cảm trong trụ Bt==1,6621 T»1,66T Chọn mật độ dòng điện s2=2,8 A/mm2 Tiết diện dây quấn hạ áp s2= Chọn kiểu dây quấn xoắn ốc liên tục từ dây dẫn chữ nhật, dùng 4 sợi ghép song song. Chọn dây 4x tiết điện mỗi sợi là 50,4 mm2 Dây quấn hạ áp được chia thành 3 nhóm, mỗi nhóm 6 cặp galét, cách nối các cặp bánh dây mỗi nhóm được mô tả trong hình 3.2 và cách nối các nhóm được mô tả trong hình 3.3. Hình 4.4 là bánh dây kép hạ áp. Tiết diện thực của dây quấn hạ áp là: s2=4.6.3.50,4=3628,8 mm2 Mật độ dòng điện thực A/mm2 Chiều cao hướng trục của một nhóm hạ áp Chiều cao phần dây quấn : 2.6.9,8=117,6mm Khoảng cách giữa 2 galét : (2.6-1).hr=11.5=55mm Tổng chiều cao một nhóm: 117,6+55=172,6mm hr là chiều cao rãnh dầu làm mát giữa các galét, chọn hr=5mm. Tổng chiều cao của ba nhóm hạ áp 172,6.3=517,8mm Bề dày của dây quấn hạ áp: đối với dây quấn xoắn ốc liên tục ta có a2=12.6=72mm Đường kính trong của dây quấn hạ áp D2’=D+2.e=45+2.2,5=50cm Đường kính ngoài của dây quấn hạ áp D2’’=D2’+2.a2=45+2.7,2=64,4 cm Khối lượng dây quấn hạ áp Theo công thức 4.4b tài liệu 2 ta có Gcu2= Trong đó: t là số trụ có dây quấn s’2 là tiết diện của một vòng dây, s’2=50,4.4=201,6 mm2 W’2 là số vòng dây trên một trụ, W’2=3.6.3=108 vòng Thay số vào ta được khối lượng dây quấn hạ áp Gcu2==1042 Kg Bề mặt làm lạnh của dây quấn hạ áp: theo công thức (3-71a) tài liệu 2 ta có. M2=3.2.t.k.p(D2’+a2)(a2+b’)12=3.2.3.0,75.3,14.(0,5+0,072)(0,072+0,0098).12 M2=28,72m2 Trong đó k=0,75 là hệ số kể đến sự che khuất bề mặt dây quấn do que nêm và các chi tiết cách điện khác . 3.3. THIẾT KẾ DÂY QUẤN CAO ÁP Sơ đồ điều chỉnh điện áp. Như đã trình bày ở phần đầu (chương 1), quá trình luyện thép bằng lò hồ quang trải qua nhiều giai đoạn khác nhau, ứng với mỗi giai đoạn đó công suất của máy biến áp lò khác nhau, để thay đổi công suất ra của máy biến áp ta phải thay đổi điện áp thứ cấp của máy biến áp cho phù hợp với từng giai đoạn nấu luyện. Do máy biến áp lò có dòng điện rất lớn nên việc điều chỉnh dưới tải là rất khó thực hiện, mặt khác hồ quang dễ dàng được mồi lại khi nhiệt độ lò đang cao do đó việc điều chỉnh điện áp của máy biến áp lò thường là điều chỉnh không điện. Trong sơ đồ điều chỉnh điện áp ở hình 3.5 dưới đây ta điều chỉnh điện áp thứ cấp bằng cả hai cách là: đổi nối D-Y và thay đổi số vòng dây cuộn sơ cấp. Cuộn kháng chỉ được sử dụng khi sơ cấp nối D, còn khi sơ cấp nối Y cuộn kháng được loại khỏi hệ thống. Hoạt động của sơ đồ điều chỉnh điện áp hình 3.5 được mô tả ở bảng sau. Nấc Cặp tiếp điểm Tổ đấu dây Cuộn dây cao thế Cuộn kháng Số vòng cao thế Điện áp thứ cấp 1 A2-A3,Y6-Y7 D/D12 F Có 188 320 2 A3-A4,Y6-Y7 D/D12 F và E Có 212 283 3 A2-A5,Y6-Y7 D/D12 F và G Có 242 248 4 A4-A5,Y6-Y7 D/D12 F, G và E Có 266 226 5 A2-A3,O-Y7 Y/D11 F Không 188 185 6 A3-A4,O-Y7 Y/D11 F và E Không 212 163 7 A2-A5,O-Y7 Y/D11 F và G Không 242 143 8 A4-A5,O-Y7 Y/D11 F, G và E Không 266 130 Theo bảng trên thì số vòng của dây quấn cao áp là W1=266 vòng. Số vòng dây của các cuộn dây. Cuộn dây F =188 vòng Cuộn dây E=24 vòng Cuộn dây G=55 vòng Chọn mật độ dòng điện trong dây quấn cao áp là s1=3,2 A/mm2 Tiết diện dây quấn cao áp Thực hiện dây quấn xoắn ốc liên tục bằng dây dẫn chữ nhật, để dễ bố trí sao cho chiều rộng hướng kính của cuộn cao áp bằng cuộn hạ áp ta chọn dây quấn cao áp và hạ áp cùng loại. Số sợi chập của dây quấn cao áp là 2 sợi. Chọn dây có tiết diện mỗi sợi là 50,4mm2 Tiết diện thực của dây quấn cao áp s1=2.50,4=100,8mm2 Mật độ dòng điện thực A/mm2 Bố trí cuộn cao áp Cuộn dây F được chia thành 2 phần bằng nhau, mỗi phần gồm 14 galét loại 6 vòng =84vòng 2 galét loại vòng =10 vòng Tổng cộng =2.(84+10)=188 vòng. Cuộn dây E được quấn thành 4 galét, mỗi galét 6 vòng Cuộn dây G được chia thành 9 galét, mỗi galét 6 vòng Tổng số vòng dây cuộn cao áp W1=188+4.6+9.6=266 vòng Vậy cuộn cao áp có tất cả 45 galét được chia thành 4 nhóm như hình 3.6, nhóm giữa là hai cuộn điều chỉnh E và G, nhóm trên và dưới là của cuộn F. Chèn thêm cách điện dày 9,2mm vào các galét có 5 vòng dây để có các galét có cùng chiều dày theo phương bán kính. Chiều cao hướng trục các nhóm cao áp: -Cuộn dây F: Phần dây quấn 32.9,8=313,6 mm Khoảng cách giữa hai galét 30.5=150mm Tổng chiều cao cuộn dây F 313,6+150=463,6mm -Cuộn dây E: Phần dây quấn 4.9,8=39,2 mm Khoảng cách giữa hai galét 3.5=15mm Tổng chiều cao cuộn dây E 39,2+15=54,2mm -Cuộn dây G Phần dây quấn 9.9,8=88,2mm Khoảng cách giữa hai galét 8.5=40mm Tổng chiều cao cuộn G 88,2+40=128,2mm Tổng chiều cao cuộn cao áp 463,6+54,2+128,2=646mm Chọn khoảng cách giữa các nhóm cao áp và hạ áp xen kẽ là D=16mm Tổng chiều cao dây quấn là: Lv= 518+646+6.16=1240mm Bề dày của dây quấn cao áp a1 = a2=72mm Đường kính trong của dây quấn cao áp D1’ = D2’=50(cm) Đường kính ngoài của dây quấn cao áp D1” = D2”=64,4 (cm) Khối lượng dây quấn cao áp Theo công thức 4.4b tài liệu 2 ta có Gcu1= Trong đó: t là số trụ có dây quấn s’1 là tiết diện của một vòng dây, s’1=50,4.4=201,6 mm2 W’1 là số vòng dây trên một trụ, W’1=3.6.3=108 vòng Thay số vào ta được khối lượng dây quấn hạ áp Gcu1==1284 Kg Bề mặt làm lạnh của dây quấn cao áp Theo công thức (3-71a) tài liệu 2. M1=45.2.t.k.p(D1’+a1)(a1+b’)=45.2.3.0,75.3,14.(0,5+0,072)(0,072+0,0098) M1»35m2 Trong đó k=0,75 là hệ số kể đến sự che khuất bề mặt dây quấn do que nêm và các chi tiết cách điện khác . CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH 4.1. XÁC ĐỊNH TỔN HAO NGẮN MẠCH Tổn hao ngắn mạch của máy biến áp là tổn hao trong dây quấn khi ngắn mạch một dây quấn còn dây quấn kia đặt điện áp ngắn mạch Un để cho dòng điện trong cả hai dây quấn đều bằng định mức. Tổn hao ngắn mạch có thể chia ra các thành phần như sau: - Tổn hao chính, tức là tổn hao đồng trong dây quấn cao áp và hạ áp do dòng điện gây ra pCu1 và pCu2 - Tổn hao phụ trong hai dây quấn do từ thông tản xuyên qua dây quấn làm cho dòng điện phân bố không đều trong tiết diện gây ra pf1và pf2 - Tổn hao chính trong dây dẫn ra pr1, pr2 - Tổn hao phụ trong dây dẫn ra. Tổn hao này rất nhỏ ta có thể bỏ qua - Tổn hao trong vách thùng dầu và các kết cấu kim loại khác pt do từ trường tản gây nên Thường tổn hao phụ được gộp vào trong tổn hao chính bằng cách thêm vào hệ số tổn hao phụ. Vậy tổn hao ngắn mạch sẽ được tính theo biểu thức: pn=pCu1.kf1+pCu2.kf2+pr1+pr2+pt (W) 4.1.1. Tổn hao chính - Tổn hao trong dây quấn hạ áp pCu2=2,4 GCu2=2,4.2,882. 1042=19385,7(W) - Tổn hao trong dây quấn cao áp pCu1=2,4 GCu1=2,4.3,33.1284=29727,1(W) 4.1.2 . Tổn hao phụ trong dây quấn Như trên đã nói tổn hao phụ thường được ghép vào tổn hao chính bằng cách thêm hệ số kf vào tổn hao chính: pCu+pf=pCu.kf Do đó việc xác định tổn hao phụ là xác định trị số kf. Trị số này đôi với mỗi loại dây quấn sẽ khác nhau. Nó phụ thuộc vào kích thước hình học của mỗi loại dây dẫn, vào sự sắp xếp của dây dẫn trong từ trường tản ... Người ta đã tìm ra biểu thức tính toán của kf như sau: - Dây quấn hạ áp Đối với dây dẫn hạ áp với dây quấn hình chữ nhật với n=36 theo công thức 4-10b tài liệu 2 ta có. kf2=1+0,095.108.a4.n2, Trong đó =, m=12 số thanh dẫn song song với từ trường tản, b=4,1mm kích thước thanh dẫn song song với từ trường tản , kr=0,95 hệ số Ragovski. Thay số vào ta được n=36 số thanh dẫn thẳng góc với từ trường tản, a=12,5mm kích thước của thanh dẫn thẳng góc với từ trường tản kf2=1+0,095.108.a4.n2=1+0,095.108.0,0482.(12,5.10-3)4.362= 1,35 - Dây quấn cao áp Đối với dây dẫn cao áp với dây quấn hình chữ nhật với n=45 theo công thức 4-10b tài liệu 2 ta có. kf1=1+0,095.108.a4.n2, Trong đó =, m=12 số thanh dẫn song song với từ trường tản, b=4,1mm kích thước thanh dẫn song song với từ trường tản , kr=0,95 hệ số Ragovski. Thay số vào ta được n=45 số thanh dẫn thẳng góc với từ trường tản, a=12,5mm kích thước của thanh dẫn thẳng góc với từ trường tản kf1=1+0,095.108.a4.n2=1+0,095.108.0,0482.(12,5.10-3)4.452= 1,43 - Tổn hao đồng trong dây quấn pCu1.kf1+pCu2.kf2=pCu+pf=29727,1.1,43+19385,7. 1,35=85513,6 (W) 4.1.3. Tổn hao chính trong dây dẫn ra Tương tự như tổn hao trong dây quấn tổn hao trong dây dẫn ra xác định bằng biểu thức: - Đối với dây quấn hạ áp pr2=2,4..Gr2 (W) s2=2,88 (A/mm2) lấy bằng mật độ dòng điện trong dây dẫn hạ áp Gr2=lr2.sr2.(kg) , lr2 chiều dài của dây dẫn ra gần đúng có thể lấy như sau: Đối với dây quấn hạ áp nối D theo 4-15 trang 107 tài liệu 2 ta có: lr2=14l=14.0,98= 13,2m , sr2 tiết diện của dây dẫn ra lấy bằng tiết diện vòng dây của cuộn hạ áp sr2= 3628,8mm2, = 8900 (kg/m3) khối lượng riêng của đồng Gr2=lr2.sr2.= 13,2.3628,8.10-6. 8900=443 (kg) Từ đó ta có pr2=2,4..Gr2=2,4.2,882. 443=8818,6 (W) - Đối với dây quấn cao áp pr1=2,4..Gr1 (W) =3,3 (A/mm2) lấy bằng mật độ dòng điện trong dây dẫn cao áp Gr1=lr1.sr1. (kg), lr1 chiều dài của dây dẫn ra gần đúng có thể lấy như sau: Đối với dây quấn cao áp nối D theo 4-15 trang 107 tài liệu 2 ta có: lr1=14l=14.0,98=13,2 m, sr1 tiết diện của dây dẫn ra lấy bằng tiết diện vòng dây của cuộn cao áp sr1=100,8 mm2 , = 8900 (kg/m3) là khối lượng riêng của đồng Gr1=lr1.sr1.= 13,2.100,8.10-6.8900=11,8 (kg) Từ đó pr1=2,4..Gr1=2,4. 3,32. 11,8=308,4 (W) 4.1.4. Tổn hao vách thùng và các chi tiết kim loại khác Như đã biết, một phần từ thông tản của máy biến áp khép mạch qua vách thùng dầu, các xà ép gông, các bu lông và các chi tiết bằng sắt khác. Tổn hao phát sinh trong các bộ phận này chủ yếu là vách thùng dầu có liên quan đến tổn hao ngắn mạch. Đối với máy biến áp có dòng điện lớn như máy biến áp lò, đầu dây ra là các thanh đồng dẹt thì tổn hao vách thùng và các chi tiết kim loại khác được tính theo công thức 81 trang 30 tài liệu 3. Pt= Trong đó Kvỏ là hệ số phụ thuộc vào cách mắc cuộn hạ áp mà có quan hệ với giá trị M, với M là giá trị phụ thuộc vào cách đấu dây ở trong vỏ máy hay ở ngoài vỏ máy và dây quấn mắc D hay Y. Khi mắc D hay Y trên nắp thùng dầu, theo công thức 84 trang 30 tài liệu 3 ta có: M= Trong đó: S: Dung lượng biến áp n: Số cặp dây ra hạ thế, n=3 U: Điện áp giữa hai đầu dây ra, U=320V Vậy M= Với M=3,61 tra bảng 19 trang 30 tài liệu 3 ta có Kvỏ=9,7 Từ đó ta có Pt==5649,2W 4.1.5. Tổng tổn hao ngắn mạch của máy biến áp pn=pCu1.kf1+pCu2.kf2+pr1+pr2+pt=80513,6 +308,4+8818,6+5649,2 =95289,8(W) »95,3(KW) 4.2. XÁC ĐỊNH ĐIỆN ÁP NGẮN MẠCH Điện áp ngắn mạch của máy biến áp lò cũng như của máy biến áp hai dây quấn nói chung un là điện áp đặt vào một dây quấn với tần số định mức, còn dây kia nối ngắn mạch sao cho dòng điện cả hai phía đều bằng các dòng điện định mức tương ứng. Trị số un là một tham số rất quan trọng ảnh hưởng tới những đặc tính vận hành cũng như kết cấu của máy biến áp. Vì ở máy biến áp lò hiện tượng ngắn mạch thường xuyên xẩy ra do đó có thể nói chế độ ngắn mạch là chế độ làm việc định mức của máy biến áp lò, vì vậy điện áp ngắn mạch của máy biến áp lò phải đủ lớn để hạn chế dòng ngắn mạch ở mức Ing» 4.Iđm. Nhưng ung cũng không được quá lớn để gây ra sụt áp lớn trong máy biến áp. Người ta thấy đối với máy biến áp có công suất 10000KVA thì un bằng khoảng 8% là dễ thiết kế nhất. 4.2.1. Tính thành phần điện áp ngắn mạch tác dụng Thành phần điện áp ngắn mạch tác dụng là thành phần điện áp rơi trên điện trở cuộn cao áp và hạ áp của máy biến áp được xác định theo công thức 4-22 trang 110 tài liệu 1 unr= = 0,953% Trong đó: pn là tổn hao ngắn mạch của máy biến áp (W) S là dung lượng định mức của máy biến áp (kVA) 4.2.2. Thành phần điện áp ngắn mạch phản kháng unx Thành phần điện áp ngắn mạch phản kháng là thành phần điện áp ngắn mạch rơi trên điện kháng tản của dây quấn cao áp và hạ áp. Đối với cuộn dây xen kẽ nó được tính theo công thức 85 trang 32 tài liệu 3. unx =(4.1) Trong đó : f: Tần số, f= 50 Hz Uvòng : Điện áp vòng(V), Uvòng= 53,33 V IW : Ampe vòng R : Bán kính bình quân cuộn dây(cm), R= cm hp :Bề dày theo phương bán kính của cuộn dây, hp =7,2 cm n: Số nhóm, n= 6 D: Chiều cao của khe rò D= a12 khoảng cách giữa cuộn cao áp và hạ áp, a12=1,6 cm. a1, a2 là chiều cao phần đồng của toàn bộ galét cuộn cao áp và hạ áp. a1=51,8/6=8,63cm; a2 =64,3/6=10,7 cm; Kp và Km . Tùy theo số galét cuộn cao áp và hạ áp nó được tính theo công thức sau: Km= Kp= Với m và p là số galét trong một nhóm cuộn dây cao áp và hạ áp, m=11; p=12 do đó Km=3,3; Kp = 3,6. Dm, Dp là khoảng cách từ phần đồng này đến phần đồng khác giữa các galét cuộn cao áp và hạ áp. Dm =DP=0,51mm. Thay số vào biểu thức tính D ta được: D==9,051 Trị số KR trong công thức 4.1 là hệ số Rogotski nó là hàm số đối với u và v u= và v = Với s là khoảng cách từ mặt trong cuộn dây đến lõi sắt s= 2,5 cm t là chiều cao một nhóm theo hướng trục, t=17,3 cm Vậy u=; v= Từ u và v tra đồ thị hình 22 trang 34 tài liệu 3 ta được KR=0,51 Thay số vào biểu thức 4.1 ta được: unx==8,11% 4.2.3. Điện áp ngắn mạch toàn phần Sau khi đã xác định được unr, unx ta có thể tính được un theo biểu thức un= 4.2.4. Sai lệch của điện áp ngắn mạch so với tiêu chuẩn <5% Vây sai lệch này không vượt quá giới hạn cho phép 5% dây quấn thiết kế đảm bảo yêu cầu tiêu chuẩn về điện áp ngắn mạch. 4.3. TÍNH LỰC CƠ HỌC CỦA DÂY QUẤN MÁY BIẾN ÁP Khi máy biến áp có thứ cấp bị ngắn mạch thì cả dòng điện sơ cấp và thứ cấp đều rất lớn. Hiện tượng ngắn mạch làm dòng điện tăng lên đột ngột, lực cơ học sinh ra do sự tác dụng giữa dòng ngắn mạch và từ trường tản tác dụng lên dây quấn rất lớn, do vậy để máy biến áp vận hành được an toàn khi thiết kế ta phải chú ý những lực đó và kiểm tra độ bền cơ của dây quấn cũng như cách điện của máy biến áp. Ở dây quấn xen kẽ của máy biến áp lò do từ trường tản chủ yếu có phương ngang trục nên lực ngắn mạch chủ yếu có phương dọc trục, lực hướng kính rất nhỏ và có thể bỏ qua. Do có lực dọc trục nên các bánh dây đầu và cuối có xu hướng bị nén vào xà và các bánh dây giữa thì đẩy lẫn nhau. 4.3.1. Tính dòng điện ngắn mạch cực đại Trị số hiệu dụng của dòng điện ngắn mạch xác lập Dòng điện ngắn mạch của máy biến áp lò được tính theo công thức 5.11 tài liệu 1. In= (A) Trong đó Sun% là tổng điện áp ngắn mạch của mạng, của điện kháng và của máy biến áp. Điện áp ngắn mạch của mạng điện chọn theo bảng 22.1 tài liệu 1. un%(mạng)=27% Điện áp ngắn mạch của điện kháng được tính ở chương 6 un%(cuộn kháng)=5% Vậy tổng điện áp ngắn mạch là: Sun%=8,16+27+5=40,16 - Dòng điện ngắn mạch xác lập phía sơ cấp Dòng điện ngắn mạch phía sơ cấp có giá trị lớn nhất ứng với trường hợp máy biến áp làm việc ở chế độ nặng nề nhất, lúc đó I1f=333,3A. Từ đó ta có In1== 820,9(A) - Dòng điện ngắn mạch xác lập phía thứ cấp In2==25938(A) Trị số cực đại (hay xung kích) của dòng điện ngắn mạch. Theo công thức 5.12 tài liệu 1 ta có. - Dòng điện ngắn mạch cực đại sơ cấp Iko1=1,8.In1=1,8. .820,9=2089,67(A) - Dòng điện ngắn mạch cức đại thứ cấp Iko2=1,8.In2=1,8. .25938=66027(A) 4.3.2. Tính lực tác dụng lên các dây quấn Đối với cuộn dây xen kẽ lực tác dụng lên dây quấn chủ yếu là lực dọc trục, lực hướng kính không đáng kể và có thể bỏ qua. Theo công thức 102 trang 40 tài liệu 3 thì lực dọc trục tác dụng lên dây quấn xen kẽ là: Ftrục= Trong đó: Iko là dòng điện ngắn mạch cực đại W là số vòng dây định mức ltb là chiều dài trung bình của một vòng dây, ltb= KR là hệ số Rogotsky, KR= 0,51 n là số nhóm xen kẽ, n = 6 a là chiều rộng hướng kính của dây quấn, a= 7,2 cm Vì lực tác dụng lên dây quấn cao áp và hạ áp là lực tương tác, tức là các cuộn dây hút và đẩy lẫn nhau do đó lực tác dụng lên cả hai cuộn dây này là bằng nhau. Ftrục=3490 Kg Bố trí 8 căn ngăn cách nằm cách đều giữa cuộn cao áp và hạ áp, chiều rộng mỗi căn là 5 cm. Vậy ứng suất lên căn ngăn cách là Kg/cm2 <180(Kg/cm2) Ta thấy giá trị ứng suất này đạt yêu cầu. CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN MẠCH TỪ VÀ TỔN HAO KHÔNG TẢI Kích thước sơ bộ của máy biến áp đã được xác định ở chương 2. Phần này ta tính toán cụ thể các kích thước của mạch từ và khối lượng lõi sắt... Sau đó tính toán dòng điện không tải, tổn hao không tải và hiệu suất của máy biến áp. 5.1 XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC CỤ THỂ CỦA LÕI SẮT Ta chọn kết cấu lõi thép ba pha ba trụ, mạch từ phẳng, lá thép ghép xen kẽ làm bằng tôn cán lạnh 3404 dày 0,35 mm. Trụ ép bằng đai vải thủy tinh, không có tấm sắt đệm, gông được ép bằng xà ép gông. Trụ và gông đều được ghép thành hình bậc thang từ các lá tôn có các kích thước khác nhau. Trong một nhà máy thì kích thước các lá tôn của các cấp trụ thường được tiêu chuẩn hóa để thuận lợi cho việc cắt tôn, tránh việc phải cắt quá nhiều lá tôn với các kích thước khác nhau ứng với các máy biến áp có công suất khác nhau. Với đường kính trụ D=0,45m ta chọn trụ gồm 14 bậc, gông gồm 11 bậc. Kích thước các tập lá thép như sau: Thứ tự tập Trụ Gông 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 440x47 425x27 410x19 385x23 368x13 350x12 325x14 310x8 295x7 270x10 250x7 230x6 195x6 175x8 440x47 425x27 410x19 385x23 368x13 350x12 325x14 310x8 295x7 270x10 250x27 Tổng chiều dày các lá thép của tiết diện trụ Dt=2.=2(47+27+19+23+13+12+14+8+7+10+7+6+6+8)=414 mm=0,414 m Tiết diện toàn bộ bậc thang của trụ: tra bảng 42b tài liệu 2 ta có Sbt=1479,2(cm2) =0,14792(m2) Tiết diện hữu hiệu thuần sắt của trụ St=kđSbt =0,97.0,14792= 0,1435 m2 Số lá thép trong từng bậc của trụ nt1===130 nt2===75 nt3===53 nt4===64 nt5===36 nt6===33 nt7===37 nt8=nt14===22 nt9=nt11===19 nt10===28 nt12=nt13===17 Trong đó: kđ là hệ số điền đầy, =0,35 mm bề dày lá thép Số lá thép cần thiết để làm trụ n=2.(130+75+53+64+36+33+37+22+22+19+19+28+17+17)= 1144 lá thép Chiều cao của trụ sắt lt=Lv+2.d=126+2.4=132 cm = 1,32 m Trong đó: d là khoảng cách từ dây quấn đến gông, d=4 cm. Lv là chiều cao dây quấn, Lv=124 cm Khoảng cách giữa hai tâm trụ cạnh nhau C=D1’’+c=0,644+0,02= 0,664 m Trong đó: c là khoảng cách giữa dây quấn của hai pha cạnh nhau, c= 2 cm Tiết diện thuần thép của gông: tra bảng 42b tài liệu 2 ta được Sg=0,1455 m2 Thể tích của một góc mạch từ : Tra bảng 42b tài liệu 2 ta được V0=56560 cm3 Thể tích thuần sắt của một góc mạch từ V0=0,97.56560=54863,2 cm3=0,054863 m3 Khối lượng sắt một góc mạch từ G0=0,054863.7650=419,7 Kg Khối lượng sắt gông: Theo công thức 5.14 tài liệu 2 ta có. Gg=2.(t-1)C.Sg.g+2.G0 Gg=2.(3-1).0,664.0,1455.7650+2.419,7=3689 Kg Khối lượng trụ: theo công thức 5.15 tài liệu 2 ta có. Gt=t.St.lt.g+t(St.a1g.g-G0) Gt=3.0,1435.1,32.7650-3.(0,1435.0,44.7650-419,7) Gt=4537 Kg Trong đó t =3 là số trụ sắt, St, Sg tiết diện thuần của trụ và của gông, lt chiều cao trụ, g là khối lượng riêng của thép. Trọng lượng sắt toàn bộ trụ và gông GFe=Gt+Gg=4537+3689=8226 (kg) 5.2. TÍNH TỔN HAO KHÔNG TẢI, DÒNG ĐIỆN KHÔNG TẢI VÀ HIỆU SUẤT CỦA MÁY BIẾN ÁP Khi cấp điện áp xoay chiều có tần số định mức vào cuộn dây sơ cấp và các cuộn đây khác hở mạch gọi là chế độ không tải. Tổn hao ứng với chế độ không tải gọi là tổn hao không tải. Tổn hao không tải của máy biến áp gồm có: tổn hao trong lá thép silic, tổn hao trong vỏ máy và các chi tiết bằng sắt khác, tổn hao đồng trong dây quấn do dòng điện không tải gây ra, tổn hao do dòng điện rò trong các chất cách điện. Do máy biến áp làm việc với tần số công nghiệp nên tổn hao trong chất cách điện rất nhỏ không đáng kể. Tổn hao đồng lúc không tải ở dây quấn sơ cấp rất nhỏ có thể bỏ qua do dòng điện từ hóa rất nhỏ so với dòng điện định mức. Tổn hao trong vỏ máy được tính gộp trong tổn hao phụ nên chỉ còn lại tính tổn hao trong lá thép silic. 5.2.1. Tổn hao không tải Ta có thể xem tổn hao không tải gồm hai phần: tổn hao trong trụ sắt và tổn hao trong gông từ Mật độ từ cảm trong trụ Bt==1,6621 T»1,66T Mật độ từ cảm trong gông Bg==1,6413 T»1,64T Tra bảng 45 tài liệu 2 ta có suất tổn hao của thép Bt=1,66 T ta có pt=1,472 (W/kg), Bg=1,64 có pg=1,411 (W/kg) Tổn hao không tải: được tính theo công thức 5.18 tài liệu 2 P0=kf(pt.Gt+pg.Gg) Trong đó kf là hệ số tổn hao phụ xét đến các yếu tố như Bt và Bg phân bố không đồng đều hoặc do công nghệ chế tạo các lá thép bị bavia, hay xếp không cùng chiều làm P0 tăng lên. Tra bảng 43 tài liệu 2 ta được kf=1,05. Vậy P0=1,05.(1,472.4537+1,411.3689)=12640W=12,640KW - Sai số của tổn hao không tải so với tiêu chuẩn .100=2,7%<5% Vậy tổn hao không tải của máy biến áp nằm trong giới hạn cho phép 5.2.2. Công suất từ hóa Công suất từ hóa gồm ba bộ phần: phần trong gông, phần trong trụ và trong khe hở không khí. Nó được tính theo công thức 4.10b tài liệu 1. Qo=k’f.k”( qt.Gt+qg.Gg+) Trong đó: k’f là hệ số kể đến việc phục hồi từ tính không hoàn toàn sau khi ủ k” là hệ số kể đến tổn hao phần góc ở lõi thép Tra bảng 4.1a tài liệu ta được kb= k’f.k”=2,1. qtvà qg là suất tổn hao từ hóa trong gông Với Bt= 1,66 T, Bg=1,64 T tra bảng 41.1b tài liệu 1 ta được: qt=2,556 VAr/kg; qg=2,131 VAr/kg qds là công suất từ hóa 1 m2 khe hở không khí. Theo công thức 4.9b tài liệu 1 thì qds=2,5.f.kd.Bt2.d.106 VAr/m2 Với f =50 Hz là tần số, kd là hệ số phụ thuộc cách điện giữa các lá thép làm cho diện tích khe hở lớn hơn diện tích lõi thép, d là chiều dài khe hở. Chọn kd=0,94; d=5.10-4m Từ đó ta được qds=2,5.f.kd.Bt2.d =2,5.50.0,94.5.10-4.106.Bt2=58750Bt2. nm=7/3 theo 4.3 tài liệu 1. St là tiết diện trụ. Thay các giá trị trên vào biểu thức của Q0 ta được: Qo=k’f.k”( qt.Gt+qg.Gg+) Q0=2,1(2,556.4537+2,131.3689+58750.1,662.(7/3).0,1435)= 154695Var 5.2.3. Dòng điện không tải: Sau khi tính được tổn hao không tải và công suất từ hóa ta tính được dòng điện không tải - Thành phần dòng điện không tải tác dụng ior= =0,1264 % - Thành phần dòng điện không tải phản kháng iox=1,547% - Thành phần dòng điện không tải toàn phần io==1,552% 5.2.4. Hiệu suất của máy biến áp »98,5% CHƯƠNG 6 THIẾT KẾ CUỘN KHÁNG 6.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CUỘN KHÁNG. Cuộn kháng được sử dụng trong mạch điện để tăng điện kháng. Cuộn kháng có thể là một pha hay ba pha, có lõi thép hay không có lõi thép. Ở máy biến áp lò cuộn kháng được mắc nối tiếp vào phía sơ cấp để hạn chế dòng ngắn mạch do dòng hồ quang hoặc khi điện cực chạm vào bề mặt kim loại nấu luyện gây ra. Cuộn kháng dùng cho máy biến áp lò là loại có lõi thép. Để tăng điện kháng cho cuộn kháng người ta đặt các chất phi từ tính vào đường đi của từ thông, tức là để các khe hở không khí ở mạch từ của điện kháng. Để cho cuộn kháng hạn chế được dòng ngắn mạch một cách hiệu quả thì ta phải thiết kế cuộn kháng sao cho khi dòng ngắn mạch tăng lên bao nhiêu lần thì điện áp tăng lên bấy nhiêu, tức là đặc tính làm việc của cuộn kháng gần tuyến tính(hình 6.1). Để đạt được điều này thì cường độ từ cảm trong lõi thép của cuộn kháng phải chọn nhỏ hơn với máy biến áp thông thường, giá trị này đối với tôn cán nguội là 0,9T đến 1,5T. Mạch từ của cuộn kháng phải được cố định vững chắc với sắt kẹp, có bu lông xuyên. Vì khi vận hành lực từ sẽ làm cho các khe hở co lại gây nên rung và ồn. Với đường kính trụ bé hơn 25 cm thì dùng một dãy vít ép, lớn hơn thì dùng hai dãy vít ép. Tất cả các trụ cắt của cuộn kháng phải được tiếp đất ngoài ra các kết cấu cơ bản khác của nó đều giống với máy biến áp. Việc tính toán cuộn kháng tương tự như tính máy biến áp. Theo bảng 22.1 tài liệu 1 với máy biến áp lò có công suât 10.000KVA thì nên chọn điện áp ngắn mạch của cuộn kháng là uk%= 5%. 6.2 XÁC ĐỊNH CÁC ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN CỦA CUỘN KHÁNG. 6.2.1 Sơ đồ đấu cuộn kháng vào máy biến áp. Cuộn kháng có thể được đấu vào điện áp dây hoặc điện áp pha của máy biến áp. Sau đây ta chọn sơ đồ đấu cuộn kháng vào điện áp pha của máy biến áp(hình 6.2). Cuộn kháng chỉ được sử dụng khi sơ cấp của máy biến áp lò đấu tam giác, khi sơ cấp đấu sao cuộn kháng được loại bỏ theo sơ đồ điều chỉnh điện áp hình 3.5. 6.2.2 Các thông số cơ bản của cuộn kháng. Điện áp định mức của cuộn kháng. UKĐ= Dòng điện định mức của cuộn kháng IKĐ=I1f=333,3 A Công suất của cuộn kháng SKĐ=3.UKĐ.IKĐ=3.500.333,33=499,99 KVA»500KVA 6.3 THIẾT KẾ LÕI SẮT CUỘN KHÁNG Tiết diện trụ được tính theo công thức 18.12 tài liệu 1 St=(4¸6)=(231¸346) cm2 Chọn tiết diện trụ là 288 cm2 Với tiết diện này, tra bảng 42b tài liệu 2 ta có đường kính trụ là Dt=0,2 m. Chọn số cấp của trụ là 7 cấp, gông có 5 cấp . Ghép từ tôn cán lạnh 3034 dày 0,35mm Kích thước cụ thể của từng cấp trụ và gông như sau: Cấp Trụ Gông Số lá thép 1 2 3 4 5 6 7 190x22 175x26 155x15 135x11 120x6 105x5 75x7 190x22 175x26 155x15 135x11 120x18 61 72 42 30 17 (gông 50lá) 14 19 Tiết diện thuần thép của trụ St=0,97.288=280 cm2 Tra bảng 42b tài liệu 2 ta được tiết diện gông là 296,2 cm2 Tiết diện thuần thép của gông là SG=0,97.296,2=287,3 cm2 Hình 6.3 và 6.4 là tiết diện của trụ và gông của cuộn kháng. 6.4 THIẾT KẾ DÂY QUẤN CHO CUỘN KHÁNG Chọn cường độ từ cảm trong trụ là Bt=1,12 T. Cường độ từ cảm trong gông là Bg=Bt. Điện áp vòng của cuộn kháng là Uv= 4,44.Bt.St.f=4,44.1,12.0,028.50=6,94V Số vòng dây WKĐ= vòng Vì cuộn kháng được mắc nối tiếp với cuộn cao áp nên ta chọn mật độ dòng điện của kháng điện giống như của cuộn cao áp tức là sKĐ=3,3 A/mm2. Chọn dây quấn của kháng điện giống như của dây quấn cao áp. Dây quấn thực hiện theo kiểu đồng trục xoắn ốc liên tục. Tổng cộng có 24 galét, mỗi ga lét quấn 3 vòng. Chiều rộng hướng kính của cuộn dây aKĐ =3.2.6=36 mm Chiều cao của dây quấn. Phần dây quấn 24.9,8=235,2mm Chọn khoảng cách giữa các ga lét là 3mm Vậy tổng khe hở giữa các galét là 23.3=69 mm Tổng chiều cao dây quấn hKĐ=235+69=304mm Chọn cách điện giữa trụ và dây quấn là e= 20 mm Đường kính trong của dây quấn D1=Dt+2.e=20+2.2=24 cm Đường kính ngoài dây quấn D2=D1+2.aKĐ=24+2.3,6=31,2cm Chọn khoảng các giữa hai cuộn dây của hai trụ cạnh nhau là c = 20mm Khoảng cách giữa hai tâm trụ cạnh nhau là C=D2+c=31,2+2=33,2 cm. Chọn c=34 cm Khe hở không khí ở trụ Theo công thức 122 trang 52 tài liệu 3 thì tổng chiều dài khe hở không khí được tính theo công thức: Trong đó: k’ là hệ số xét đến từ thông rò ở khe hở không khí, k’= 1,1¸1,2. Bt là mật độ từ thông trong trụ tính theo Gauss. Chia khe hở thành 6 phần, mỗi phần 7 mm. Kích thước cụ thể của mạch từ kháng điện được trình bày ở hình 6.5. 6.5 TÍNH TOÁN TỔN HAO CUỘN KHÁNG. Tổn hao đồng trong dây quấn Khối lượng đồng được tính theo công thức 4.4b tài liệu 2: Gcu= 28.t..WKĐ.sKĐ.103 = Kg Vậy tổn hao đồng là Pcu= 2,4.s2KĐ.Gcu=2,4.3,32.168,6=4406 W Tổn hao trong lõi thép Chiều cao của trụ lt= hKĐ +2.d=304+2.10=324 mm Với d là khoảng cách từ dây quấn cuộn kháng đến xà, d= 10mm Do ở trụ có các khe hở không khí nên chiều cao phần thép của trụ là lt =324-Sd=324-42=282 mm Với Sd là tổng chiều dài các khe hở không khí ở trụ. Tra bảng 42b tài liệu 2 ta được khối lượng một góc mạch từ là G0=Kđ.V0.gFe=0,97.4811.7650.10-6=35,7 Kg Trong đó Kđ là hệ số điền đầy của lõi thép V0 là thể tích một góc mạch từ Khối lượng gông được tính theo công thức 5.14 tài liệu 2 Gg=2.(t-1)C.Sg.g+2.G0 Gg=2.(3-1)0,34,02873.7650+2.35,7=363 Kg Khối lượng của trụ được tính theo công thức 5.15 tài liệu 2 Gt=t.St.lt.g+t(St.a1g.g-G0) Gt=3.0,0280.0,282.7650+3(0,0280.0,19.7650-35,7)=196 Kg Tổng khối lượng thép của trụ và gông là GKĐ=Gg+Gt=363+196=559 Kg Suất tổn hao trong trụ và gông. Tra bảng 41-1b tài liệu 1 ta được: Bt=1,12 T Þ pt = 0,595 W/kg Bg=1,08 T Þ pg =0,555 W/Kg Vậy tổn hao trong lõi thép của kháng điện là: P0= kf (pt.Gt+pg.Gg)=1,02.(0,595.196+0,555.363)=324W. CHƯƠNG 7 TÍNH TOÁN NHIỆT CỦA MÁY BIẾN ÁP 7.1. ĐẠI CƯƠNG Tính toán nhiệt của máy biến áp là tính toán về nhiệt ở trạng thái làm việc dài hạn với tải định mức. Đó là trạng thái xác lập, trong quá trình này toàn bộ nhiết sinh ra được khuếch tán ra ngoài môi trường. Đường đi của dòng nhiệt ra môi trường có thể phân ra thành các đoạn sau: - Từ lòng cuộn dây hay bề mặt lõi sắt ra mặt tiếp xúc với dầu, đây là quá trình dẫn nhiệt. - Quá độ từ mặt ngoài dây quấn hay lõi sắt vào dầu - Từ dầu ở mặt ngoài dây quấn hay lõi sắt truyền tới mặt trong thùng dầu bằng đối lưu - Quá trình quá độ từ dầu vào vách thùng dầu - Cuối cùng là nhiệt truyền từ vách thùng truyền ra không khí xung quanh bằng bức xạ và đối lưu. Qua mỗi quá trình truyền đó thì nhiệt độ giảm dần, nghĩa là nó gây nên một lượng giảm nhiệt độ, kết quả là so với môi trường không khí xung quanh thì các bộ phận trong máy biến áp có một nhiệt độ chênh nào đó so với môi trường không khí xung quanh. Trị số dòng nhiệt càng lớn thì nhiệt độ chênh càng lớn. Tính toán nhiệt trong máy biến áp gồm các phần sau đây: - Tính nhiệt độ chênh qua từng phần - Chọn kích thước thùng dầu bảo đảm tỏa nhiệt tốt, nghĩa là làm sao cho nhiệt độ dây quấn, lõi sắt và dầu không quá mức qui định 7.2. TÍNH NHIỆT ĐỘ CHÊNH QUA TỪNG PHẦN 7.2.1. Tính toán độ chênh nhiệt của dây quấn - Nhiệt độ chênh của dây quấn hạ áp Nhiệt độ chênh này chủ yếu là hiệu số nhiệt độ của các lớp cách điện Gọi nhiệt độ chênh này là theo công thức 6-1 tài liệu 2 ta có =, oC Trong đó: =0,5.10-3m là chiều dày cách điện một phía (m) là suất dẫn nhiệt của lớp cách điện của dây dẫn, tra theo bảng 54 tài liệu 2 ta có =0,17 (w/m oC) q2 là mật độ dòng nhiệt trên bề mặt dây quấn tính theo công thức: q2= kf2 là hệ số tổn hao phụ của dây quấn hạ áp kf2=1,35 pCu2 là tổn hao đồng trong dây quấn hạ áp pCu2=19385,7 W M2 là bề mặt tỏa nhiệt của dây quấn hạ áp M2=28,72 m2 Thay số vào ta có: q2=== 911,2 W/m2 - Độ chênh nhiệt của dây quấn hạ áp: ===2,68 oC Nhiệt độ chênh của dây quấn cao áp Tương tự như dây quấn hạ áp ta có: = oC trong đó: =0,5.10-3 m là chiều dày cách điện một phía (m) là suất dẫn nhiệt của lớp cách điện của dây dẫn, tra theo bảng 54 tài liệu 1 ta có =0,17 (w/m oC) q1 là mật độ dòng nhiệt trên bề mặt dây quấn tính theo công thức: q1= kf1 là hệ số tổn hao phụ của dây quấn hạ áp kf1=1,43 pCu1 là tổn hao đồng trong dây quấn hạ áp pCu1=29727,1 W M1 là bề mặt tỏa nhiệt của dây quấn hạ áp M1=35 m2 Thay số vào ta có: q1===1214,5 (W/m2) - Độ chênh nhiệt của dây quấn cao áp: ===3,57 oC 7.2.2. Nhiệt độ chênh giữa mặt ngoài dây quấn đối với dầu Hiệu số nhiệt độ này phụ thuộc vào năng lượng tổn hao của dây quấn và thường được xác định theo công thức kinh nghiệm gần đúng - Dây quấn hạ áp đối với dầu Dây quấn hạ áp làm bằng dây dẫn hình chữ nhật, dây quấn hình ống có rãnh dầu ngang trục được tính theo công thức 6-10b tài liệu 2. =k1.k2.k3.035.q20,6Trong đó: k1 là hệ số kể đến tốc độ chuyển động của dầu trong dây quấn, phụ thuộc vào hệ thống làm lạnh, đối với trường hợp làm lạnh bằng dầu tự nhiên k1=1,0 k2 là hệ số kể cách bố trí dây quấn, đối với dây quấn xen kẽ k2=1,0 k3 là hệ số có tính đến sự đối lưu khó khăn của dầu do bề rộng ( hay cao) tương đối của rãnh dầu ngang gây nên. Nó phụ thuộc vào tỉ lệ hr/a, với hr/a=72/5=0,069. Tra ở bảng 55 tài liệu 2 ta được k3=1,1 q2 là mật độ dòng nhiệt của dây quấn hạ áp, thay số vào ta được: =k1.k2.k3.035.q20,6=1,0.1,0.1,1.0,35.911,20,6=18,97oC - Dây quấn cao áp đối với dầu Tương tự như dây quấn hạ áp ta có: =k1.k2.k3.035.q10,6 =1,0.1,0.1,1.0,35.1214,50,6= 19,29oC 7.2.3 Nhiệt độ chênh trung bình của dây quấn đối với dầu - Dây quấn hạ áp =2,68+22,97=25,65oC - Dây quấn cao áp =3,57+27,29=30,86 oC 7.3. TÍNH TOÁN THÙNG DẦU Thùng dầu đồng thời là vỏ máy của máy biến áp trên đó có đặt các chi tiết quan trọng như sứ ra của dây quấn cao áp và hạ áp, ống phòng nổ, bình giản dầu ... vì vậy thùng dầu ngoài yêu cầu tản nhiệt tốt còn phải đảm bảo các tính năng về điện như đảm bảo khoảng cách cách điện cho phép giữa dây quấn với vách thùng, có độ bền cơ học đảm bảo, chế tạo đơn giản và có khả năng rút gọn được kích thước bên ngoài. Việc tính toán ở đây chủ yếu căn cứ vào yêu cầu tản nhiệt để thiết kế được một loại thùng thích hợp, sau đó kiểm tra lại xem với kết cấu thùng như vậy nhiệt độ chênh của các bộ phận của máy biến áp có đạt tiêu chuẩn nhà nước qui định không. 7.3.1. Chọn loại thùng Đối với máy biến áp công suất 10.000 KVA, theo bảng 57 tài liệu 2 ta chọn loại thùng có bộ tản nhiệt kiểu ống cong. Đáy thùng có dạng hình ô van. Dây quấn Dây dẫn ra cao áp s 2 d1 s 1 Dây quấn s 4 Dây dẫn ra hạ áp s 3 d 2 7.3.2. Tính chọn các kích thước cơ bản của thùng dầu. - Chiều rộng thùng Căn cứ vào kích thước đã biết của lõi sắt, dây quấn, để chọn các khoảng cách cách điện tối thiểu từ dây dẫn ra đến các bề mặt của dây quấn, đến vách thùng và các bộ phận nối đất khác của máy biến áp. Từ đó sẽ tính được chiều rộng thùng. Hình 6-1: Các khoảng cách tối thiểu bên trong thùng Chiều rộng tối thiểu của thùng dầu là: B= D”2+(s1+s2+d2+s3+s4+d1).10-3 Trong đó: s1 là khoảng cánh từ dây dẫn ra cao áp đến vách thùng và bằng s2 khoảng cách của dây dẫn ra của dây quấn cao áp đến chính dây quấn cao áp, tra bảng 31 tài liệu 2 ta có s1=s2=15 mm d1 là đường kính dây dẫn ra có bọc cách điện của dây quấn cao áp, với điện áp 10 KV thì d1=25 mm s3 là khoảng cách từ dây dẫn ra của dây quấn hạ áp đến vách thùng tra bảng 32 tài liệu 2 ta có s3=15 mm s4 là khoảng cách từ dây dẫn ra của dây quấn hạ áp đến dây quấn cao áp tra bảng 32 tài liệu 2 ta có s4=15 mm d2 là kích thước dây dẫn ra không bọc cách điện của dây quấn hạ áp d2=6mm Từ đó ta có: B= D”2+(s1+s2+d2+s3+s4+d1).10-3= B=0,644+(15+15+6+15+15+25).10-3=91,64 cm Để tâm trụ nằm ở giữa thùng ta chọn B=140 cm - Chiều dài thùng Chiều dài tối thiểu của thùng là A=2.C+B Trong đó C là khoảng cách giữa hai tâm trụ cạnh nhau, C= 0,664m Thay số vào ta được: A=2.C+B=2.0,664+1,4=2,728m Chọn A= 2,8 m - Chiều cao của thùng Chiều cao của thùng dầu gồm hai phần: H=H1+H2 (m) H1 là khoảng cách từ đáy thùng đến hết chiều cao lõi sắt, được xác định như sau H1=lt+2.hg+n.10-3 (m) Trong đó n là chiều dày tấm đệm lót dưới gông n=30-50 mm chọn n=40 mm lt chiều cao trụ lt=1,32 m hg là chiều cao của gông, hg= 0,44 m. Thay số vào ta được: H1=1,32+2. 0,44+40.10-3=1,8 m H2 Chiều cao tối thiểu từ gông đến nắp thùng: Chọn H2= 0,4 m Vậy chiều cao của thùng dầu là: H=H1+H2=1,8+0,4=2,2m 7.3.3 Sơ bộ tính bề mặt bức xạ, đối lưu của thùng dầu - Bề mặt bức xạ của thùng Diện tích mặt thùng phẳng có đáy ô van là: Môv=H(2(A-B)+ pB)=2,2.(2.(2,8-1,4)+ p.1,4)=27,1 m2 Diện tích bề mặt bức xạ của thùng ô van là: Mbx=Môv.k=27,1.2=54,2 m2 Trong đó k là hệ số kể đến sự tăng diện tích mặt thùng do ống tản nhiệt, tra bảng 59 tài liệu 2 ta được k=2. - Bề mặt đối lưu của thùng Căn cứ vào tổng tổn hao, vào nhiệt độ chênh giữa vách thùng và môi trường xung quanh sơ bộ xác định bề mặt đối lưu của thùng theo công thức 6-22 tài liệu 2 Mđl’= là tổng tổn hao không tải và ngắn mạch =po+pn=12640+95300=107940(W) - Nhiệt độ chênh trung bình cho phép của dầu đối với không khí: =65-=65-30,86=34,14 oC - Nhiệt độ chênh của lớp dầu trên so lới không khí 1,2. =1,2. 34,14=40,968oC<60 oC - Nhiệt độ chênh trung bình của vách thùng đối với không khí Trị số chênh nhiệt độ giữa dầu và vách thùng biến thiên trong khoảng 2-6 oC trong tính toán sơ bộ ta chọn =4oC, lấy dự phòng 2oC từ đó ta có =--2=34,14-4-2=28,14 oC Sơ bộ ta có bề mặt đối lưu của thùng Mđl’=== 454,43(m2) - Tính bề mặt đối lưu của nắp thùng Diện tích nắp thùng Mn=0,5[(A-B)(B+0,20)+] =0,5[(2,8-1,4)(1,4+0,20)+]=2,13 m2 Trong đó 0,2 là bề rộng của hai bên vành nắp, 0,5 là hệ số kể đến sự che khuất bề mặt thùng. - Bề mặt đối lưu của các bộ tản nhiệt =Mđl’-Mn-Môv=454,43-2,13-27,1=425,2 m2 Theo số liệu về bề mặt đối lưu của bộ tản nhiệt, theo bảng 62 tài liệu 2 ta chọn bộ tản nhiệt kép với các số liệu của bộ tản nhiệt như sau: Chiều cao của bộ tản nhiệt A=2485 mm, bề mặt đối lưu của mỗi bộ Môđl=29,1m2 - Bề mặt đối lưu của bộ tản nhiệt qui về bề mặt thùng phẳng Mbđl=Môđl.khd+Mgđl khd =1,4 là hệ số qui đổi tra ở bảng 56 tài liệu 1 Mgđl =0,34 là bề mặt đối lưu của hai ống góp Thay số vào ta được: Mbđl=29,1.1,4+0,34=41,08 (m2) Số bộ tản nhiệt cần thiết: nb==10,35 bộ Ta chọn số bộ tản nhiệt là 12 bộ và bố trí như hình vẽ. Hình vẽ 6-4: Bố trí các bộ tản nhiệt: Vậy bề mặt đối lưu thực của thùng sẽ là: Mđl=+Mfđl+Mnđl=12.41,08+27,1+2,13=552,19 (m2) - Bề mặt bức xạ của thùng dầu Bề mặt bức xạ của thùng dầu có thể tính gần đúng là Mbx=Môv.k=27,1.2=54,2 m2 7.4.TÍNH TOÁN KIỂM TRA LẠI Sau khi đã thiết kế được những kích thước cơ bản của thùng dầu, tính toán bề mặt bức xạ, bề mặt đối lưu của thùng cần phải kiểm tra lại nhiệt độ chênh thực tế của dây quấn và dầu đối với không khí. -Nhiệt độ chênh của thùng dầu đối với không khí: Tính theo công thức 6.47 tài liệu 2 == 30,27 oC - Nhiệt độ chênh của dầu sát vách thùng so với thùng: được tính theo công thức 6-48 tài liệu 2 Trong đó: k1 là hệ số k1=1 khi làm lạnh bằng đối lưu tụ nhiên =nb.Môđl+Mfđl+Mnđl=12.29,1+27,1+2,13=378,43 (m2) là tổng bề mặt đối lưu của vách thùng phẳng, ống, nắp không kể đến điều kiện đối lưu tốt hay xấu. Thay số vào ta được: =5,05 oC - Nhiệt độ chênh của dầu so với không khí =5,05+30,27 =35,32 oC - Nhiệt độ chênh của dầu lớp trên so với không khí =1,2(5,05+30,27)=41,58oC<60oC đạt tiêu chuẩn cho phép - Nhiệt độ chênh của dây quấn đối với không khí Dây quấn hạ áp =2,68+18,97+41,58 =63,23oC<65 oC Dây quấn cao áp =3,57+19,29+41,58=64,44<65 oC Như vậy thùng dầu đã thiết kế đảm bảo được yêu cầu về tản nhiệt.