Chế tạo máy biến áp: Phần 1

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:303

Thêm vào BST

Báo xấu

12
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu "Thiết kế máy biến áp" phần 1 trình bày các nội dung chính sau: Sức điện động cảm ứng; Xác định thông số máy biến áp; Điện áp ngắn mạch; Điện kháng tản của máy biến áp; Điện trở của dây quấn; Tổ nối dây của máy biến áp; Đại cương về thiết kế máy biến áp bằng máy tính; Tổn hao, hiệu suất, phát nóng và làm máy máy biến áp;... Mời các bạn cùng tham khảo để nắm nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Chế tạo máy biến áp: Phần 1

PHẠM VĂN BÌNH - LÊ VĂN DOANH MÁY BIEN ÁP I------- ------------------ 5------ -I NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT
PGS. TS. PHẠM VĂN BÌNH - PGS. TS. LÊ VĂN DOANH THIẾT KÊ MÁY BIÊN ÁP In lần thứ 4, có sửa chữa và bổ sung Sách chào mừng 50 năm thành lập Trường Đại học Bách khoa Hà Nội TPUNG TÂM ĩ.ĩ.£!Ệhl; ựr THỮ Vỉẹ ST NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2006
Quyển sách "THIẾT KÊ MÁY BIẾN ẮP" này được biên soạn dựa theo kinh nghiệm giảng dạy và hướng dẫn thiết kế máy diện nhiêu năm ó bộ mởn Thiết bị diện- diện từ, khoa Năng lượng, Trường Dại học Bách khoa Hà Nội, dồng thời đúc kết kinh nghiệm sàn xuất chế tạo máy biến áp ò Việt Nam củng như những kinh nghiệm thiết kế, chế tạo máy biến áp của những nước công nghiệp phát triền. Phán chù yếu của quyền sách này trình bày lý luận thiết kề các máy biến áp diện lực, cũng như đè cập đến việc thiết kế các máy biến áp chuyên dụng như máy biến áp dùng cho các bộ chinh lưu trong công nghiệp diện hóa, máy biến áp lò hò quang, kháng diện và cuộn kháng bão hòa, máy biến áp công suất nhỏ... Ngoài ra, cũng trinh bay khái quát về thiết kế tự dộng bàng máy tính theo phương pháp phĩtn tử hữu hạn. Các dề mục trong sách dược phân chia một cách chi tiết nhầm giúp bạn dọc dễ dang tra cứu, tim kiếm. Nhiều ví dụ tính toán, thiết kế mẫu- các loại máy biến áp dược trinh bày khá chi tiết. Sách dược dùng lam tài liệu hướng dẫn tính toán, thiết kế cho sinh viên ngành diện của các trường dại học và trung học chuyên nghiệp, nó cũng giúp ích cho các kỹ sư, các nhà thiết kế, chế tạo, sử dụng và vận hành máy biến áp. PGS. Lê Văn Doanh viết mục 19. PGS. Phạm Vãn Binh viết các phần còn lại. Các tác giả chân thành, cảm ơn sự cổ vũ, dộng viên và dóng góp ý kiến của các dông nghiệp ờ bộ mòn Thiết bị diện-diện tử, khoa Năng lượng Trường Dại học Bách khoa Hà Nội.
Trong quá trinh biên soạn, PGS. Tràn Khảnh Hà dã dành nhiều thời gian hiệu dính và dưa ra những chỉ dẫn quan trọng, PGS Dănư Văn Dào, các thàv Vũ Tiến Cành. Phan Tử Thu. KS. Tôn Long Nga (Giám dốc Trung tăm dịch vụ sửa chữa Công ty chế tạo máy biến áp ABB) dã dóng góp nhiều ý kiến quý báu. khỏi những sơ suất. Các tác giả mong nhận dược ý kiến nhận xét và dóng góp của dông dào bạn dọc. Thư từ góp ý xin gửi vè bộ môn Thiết bị diện-diện tử khoa Năng lượng, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Diện thoại 8692511. Chúng tôi xin chân thành cảm an. Các tác già 4
MỤC LỤC Lời nói dâu 2 1. Mớ đâu l2 2. Sức điện độngcảm ứng 16 3. Xác định thông số máy biến áp 18 4. Máy biến ápkhông tải 21 4.1. Tính dòng điện từ hóa dựa vào mạch từ 22 4.2. Tính dòng điện từ ho'a theo công suất từ ho'a 25 5. Điện áp ngắn mạch 21 6. Điện kháng tản của máy biến áp 34 6.1. Dây quấn đồng tâm đơn giản 34 6.2. Dày quấn đồng tâm phân tán 37 6.3. Dây quấn xen kẽ 38 6.4. Dây quấn ziczac 39 6.5. Máy biến áp tự ngẫu dây quấn hìnhtrụ 42 6.6. Máy biến áp tự ngẫu dây quấn xenkẽ 45 7. Điện trở của dây quấn 48 8. Lực ngán mạch (lực điện động) 51 8.1. Dây quấn hình trụ 51 8.2. Dây quấn xen kẽ 58 9. Tổ nối dây của máy biến áp 63 10. Mạch từ 75 10.1. Trụ 75 10.2. Gông 78 11. Tôn silic 82 12. Ép trụ, ép gông 88 13. Dây quấn 88 13.1. Cách điện 89 ------------------------------------------------ 5-
13.2. Bô' trí dây quấn 90 13.3. Dây quấn cao áp 91 13.4. Dây quấn hạ áp dòng điện lớn 96 14. Cách điện giữa dây quấn cao áp/dây quấn hạ áp và với đất .............................................................. 98 108 118 ——............. 17.1. thêu chcnh nhảy cáp duới tảl 1 iy 1 1 n 17.2. Điều chinh liên tục 125 18. Thiết kế máy biến áp .............................................................. 132 18.1. Tcnh toán thiết kế 18.2. Các thử nghiệm 155 19. Đại cương vể thiết kế máy biến áp bằng máy tính . . . 164 19.1. Mô hình mạch hay mô hình trường 164 19.2. Nguyên lý cơ bàn của phương pháp phan tử hữu hạn 166 19.3. Phần tử hữu hạn một chiéu, hai chiểu và ba chiểu 169 19.4. Các bài toán diễn biến theo thời gian 176 19.5. Cấu trúc tổng quát và kỹ thuật tổ chức chương trình CAD theo phương pháp phần tử hữu hạn 178 19.6. Diễn tả hình dáng đối tượng 179 19.7. Phân miền bài toán thành các phấn tử hữu hạn 184 19.8. Chức năng của môđun tính toán 185 20. Hình dáng tối ưu của máy biến áp ............................... . 191 20.1. Thí dụ 1 : Tính toán máy biến áp khô 205 20.2. Thí dụ 2: Tính toán máy biến áp dầu 214 21. Tổn hao, hiệu suất, phát nóng và làm máy máy biến áp 222 21.1. Tổn hao và hiệu suất 223 20.2. Cách điện và tiêu chuẩn độ tâng nhiệt độ 223 21.3. Phát nóng và làm máy dây quấn 226 21.4. Phát no'ng lõi thép 233 21.5. Phát nóng và làm mát thùng dầu 234 21.6. Tính độ tăng nhiệt của máy biến áp dầu 239 22. Máy biến áp đặc biệt .......................................................... . 257 22.1. Máy biến áp đo lường 257 22.2. Máy biến áp làm việc ngán mạch 260 -
22.3 . Máy biến áp thửnghiệm 260 22.4 . Máy biến áp hàn 261 22.5 . Máy biến áp lò 262 22.6 . Cuộn kháng điện 267 22.7 . Máy biên áp mộtpha dùng eho đâu máy chạy điện___ 268 22.8 . Máy điều chcnh cảm ứng 277 23. Máy biến áp công suất nhỏ 281 24. Thí dụ tính cường độ điện trường cho điện môi 298 25. Tính điện áp ngắn mạch phản kháng theo Kehse (Rogowski) 304 26. Tính toán máy biến áp dầu 160 kVA 307 27. Tính toán máy biến áp dầu 250 kVA 329 28. Tính toán máy biến áp điều chinh điện áp6300kVA 33« 29. Tính toán máy biến áp điều chcnh điện ápbapha50 MVA 360 30. Tính toán nho'm máy biến áp điều chinh nổi với bộ chinh lưu dùng cho điện phân 369 31. Tính toán máy biến áp tự ngẫu điều chcnh điện áp 387 32. Tính toán điều chinh bằng bão hòa từ 403 33. Tính toán máy biến áp một pha cho đàu máy chạy điện 407 34. Tính toán máy biến áp lò hồ quang một pha 442 35. Tính toán thiết kế máy biến áp lò hồ quang ba pha 12500 kVA 454 36 Thiết kế máy biến áp tự ngẩu điều chcnh điện áp 468 37. Tính cuộn kháng diện 480 38. Tính kháng điện không có lõi thép 487 39. Tính kháng điện mở máy động cơ điện 492 40. Thí dụ tính toán lực ngán mạch 512 41. Kiểm tra điện áp ngắn mạch 528 42. Một số thông tin về sản xuất máy biến áp 533 43. Xu hướng chế tạo máy biến áp 570 44. Thông số của vật liệu sát từ và dây quấn 573 Tài'liệu tham khảo 611
KÝ HIỆU Sử DỤNG TRONG TÀI LIỆU A phụ tải đường dọc trục, cấp cách điện B cường độ từ cảm Bt, Bs cường độ từ cảm trong trụ, trong gông c điện dung, hằng số máy biến áp, cấp cách điện D, d dường kính dày quấn Dt đường kính vòng tròn bao tiết diện trụ Ds đường kính trung bình dây quấn E sức điện động e giá trị tức thời của sức điện động F lực, cấp cách điện Fa lực hướng trục Fr lực hướng kính f tần số G trọng lượng Gt thành phần tiếp tuyến cường độ từ trường G, gradient H cấp cách điện, cường độ điện trường ho chiều cao cửa sổ hs chiều cao gông I dòng điện Iko dòng điện ngắn mạch quá độ Im dòng điện từ ho'a Ir thành phần tác dụng của dòng điện không tải i giá trị tức thời của dòng điện, dòng điện tính theo phần trăm. ko hệ số lợi dụng (dùng tính đường kính vòng tròn bao tiết diện lõi thép) 8
hệ số lợi dụng trụ lõi thép kpv hệ số truyền nhiệt (đối lưu và dẫn nhiệt) ke hệ số bức xạ nhiệt lưo kóo cho phón -—__ kn ứng lực nén (ép) cho phép kt hệ số điền đầy lỗi thép L điện cảm Lt chiều dài trụ Ls chiều dài gông lc chiều rộng toàn bộ dây quấn theo hướng vuông góc với trụ lv chiều cao dây quấn m số pha nn dây quấn hạ áp ni số ampe-vòng trên đơn vị chiều dài 0 chu vi dây quấn os chu vi trung bình dây quấn p áp suất p10 suất tổn hao w/kg ứng với cường độ từ cảm 1 T và tần số 50 Hz. p15 suất tổn hao w/kg ứng với cường độ từ cảm 1,5 T và tần số 50 Hz. p công suất. Pm công suất điện từ Q công suất từ hóa Qs lượng dầu làm mát Qv lượng nước làm mát Qvz lượng không khí làm mát R điện trở Rm điện trở từ ho'a Rs bán kính trung bình 9
s công suất. diện tích bề mặt làm mát Sị diện tích tiết diện trụ Ss diện tích tiết diện gông S____ diện tích tiết diện dây dẫn (dây quấn)______________ _____ -T-- nh t.-đ . kho ng cách g ữa hai trụ ề n iệ ộ á i k hau— u điện áp nguồn Ut điện áp thử u giá trị tức thời của điện áp uk điện áp ngán mạch theo % ux thành phân phản kháng của điện áp theo % ur thành phần tác dụng của điện áp theo */< uv điện áp trên một vòng dây V thê’ tích vn dây quấn cao áp vk phân dây quấn cơ bản Vr phàn dây quấn điều chinh \v số vòng dây nối tiếp trong một pha X điện kháng z điện kháng theo % zk tổng trở ngắn mạch /3 hệ số làm giảm từ cảm, hệ số hình dáng (xem mục 19) ỵm khối lượng riêng của đồng /t khối lượng riêng của thép A bề rộng khoảng cách hai dây quấn vn và nn Aị bề rộng dây quấn vn A2 bề rộng dây quấn nn d khe hở không khí, hệ số tính bán kính trung bình dây quấn máy biến áp ì] hiệu suất A từ dẫn 10
f - hàng số điện môi a hệ sổ truyền nhiệt (mục 20) hệ số quy đổi chiêu cao thanh dẫn (mục 7) hộ số phân hổ sóng diộn áy tmục 13> -------- Ệ------- hệ số chiều dài lõi thép À hệ số hình dáng (mục 191 p điện trở suất ơ mật độ dòng điện ơt ứng suất kéo ơth ứng suất nén từ thông w tàn số go'c APm tổn hao đồng APst tổn hao trong lõi thép AP-ị- độ tăng nhiệt độ. 11
1. Mở đầu Có thể nói việc phát minh ra máy biến áp liên quan mật thiết với thí nghiệm đóng - ngắt cuộn Ruhmkorff của Elih -Thomson. Máy biến áp đầu tiên được chế tạo vào khoảng năm 1878 - 1879, dùng cấp điện thắp sáng. Nãm 1891 tại Anh, hăng Ferrant đã chế tạo được máy biến áp có công suất 111,9 kW kiểu bọc, điện áp 10/2,4 kV, lõi thép được chế tạo bằng cách dùng các lá thép quấn lại, cách điện bằng giấy. Máy biến áp không ngừng được hoàn thiện, năm 1906 người ta bắt đầu dùng dầu làm mát máy, mạch từ làm bằng tôn silic nên tổn hao lõi thép giảm nhiều. Đến trưốc Đại chiến Thế giới thứ II, người ta đã sử dụng tôn cán nguội, dầu làm mát khó bắt lửa vào việc chế tạo máy biến áp. Máy biến áp ngày nay được sử dụng trong nhiều lĩnh vực: máy biến áp đo lường, máy biến áp lò, máy biến áp hàn... Máy biến áp truyền tải điện năng đã được sản xuất tới công suất 600 MVA, điện áp 400 kV đến 700 kV. Hình 1-1 cho sơ đô nguyên lí máy biến áp. Trên trụ lõi thép ta đặt dây quấn sơ cấp I và dây quấn thứ cấp II. Dây quấn sơ cấp được nối với nguồn điện áp U• • ‘ dòng Ij chạy qua, dòng điện này sinh ra từ thông tc lệ với tích Wjlp từ thông Sơ đồ nguyên lí máy biến áp Hlnh 1-1. cảm ứng sức điện động E• ngược chiều với Up và cũng cảm ứng ở dây quấn w2 sức điện động E2. Lúc không tải, trị số Ej chc khác Uj cỡ 1,2%, gần đúng ta xem 12
như Ej = Uị. Như vậy, khi không tải ta có: U, _ (1-1) U2 w2 Bỏ qua dòng từ hóa và theo định luật bảo toàn năng lượng, ta có: UJ1 = U2I2 Từ đó suy ra: 11 = £2 = ^2 (1-2) I2 U1 Wị Khối lượng, kích thước, giá thành của máy biến áp phụ thuộc vào tích UịỈỊ = U2I2. Dòng điện ảnh hưởng đến tiết diện dây quấn, điện áp liên quan đến tù thông và số vòng dây W2(1). Khi thiết kế máy biến áp, người ta tính theo công suất biểu kiến VA, kVA hoặc MVA đặc trưng cho dung lượng của máy biến áp Theo cấu trúc lõi thép, người ta phân chia máy biến áp thành hai loại: máy biến áp kiểu trụ (lõi) và máy biến áp kiểu bọc. ỏ máy biến áp kiểu trụ, dây quấn bọc lấy trụ, còn ở máy biến áp kiểu bọc, lõi thép bọc lấy dây quấn. Hình 1- 2 trình bày máy biến áp kiểu trụ, mỗi trụ đặt một nửa dây quấn sơ và thứ cấp, hai trụ nối với nhau bởi gông s có tiết diện xấp xc tiết diện trụ. Hình 1-3 trình bày máy biến áp một pha kiểu bọc. Dây quấn sơ cấp và dây quấn thứ cấp đặt chung ở trụ giữa, mạch từ khép kín sang hai bên bọc lấy dây quấn. Trụ giữa co' tiết diện gấp đôi trụ biên vì từ thông qua đo' gấp đôi từ thông qua trụ biên. Hình 1-4 trình bày máy biến áp ba pha kiểu trụ, mỗi trụ đặt dây quấn sơ cấp và dây quấn thứ cấp một pha. Hình 1- 5 trình bày máy biến áp ba pha kiểu bọc, xem như ghép từ ba máy biến áp một pha kiểu bọc. Máy biến áp kiểu trụ công suất lớn thường được chế tạo ba pha 5 trụ, hai trụ biên khép mạch từ thông bội ba (hình 1-6), no' cũng 13
5 Hình 1-2. Máy biên áp Hình 1-3. Máy biến áp Hlnh 1-4. Máy biến áp một pha kiều trụ một pha kiểu bọc ba pha kiểu trụ H)nh 1-5. Máy biến áp ba pha H)nh 1-6. Máy biến áp ba pha 5 trụ kiêu bọc kiểu trụ Hlnh 1-7. Tiết diện lõi thép: a. vuông, b. chữ thập c. nhiều cấp 14
làm giảm diện tích tiết diện gông, do đo' làm giảm chiều cao máy. Tiết diện lõi thép máy biến áp công suất nhỏ thường là hình vuông hoặc chữ thập, ỏ máy biến áp công suất lớn tiết diện được chế tạo theo nhiều cấp (hình 1-7). Máy biến áp công suất càng lớn thì hiệu suất càng lớn và chi phí vật liệu trên 1 kVA công suất càng giảm, ví dụ, một máy biến áp dầu 100 kVA, khối lượng đơn vị 8 kg/kVA, trong khi đó máy biến áp dầu 100 MVA khối lượng chc vào khoảng 2 kg/1 kVA. Ngoài ra, chi phí vật liệu cũng còn phụ thuộc vào chế độ làm mát máy. 15
2. Sức điện động cảm ứng Theo định luật cảm ứng điện từ Faraday - Maxwell, sức điện động cảm ứng được tính như sau: dtbj ei = -Wị dt Khi bỏ qua điện áp rơi: dd>. “1 “ - ■ " w ' " p - (2 -11 dt trong đó: Up ej - trị số tức thời điện áp và sức điện động cảm ứng; O• - trị số tức thời của tù thông; W• - sô' vòng dây cuộn sơ cấp. Khi Uị và chị là xoay chiều hình sin, ta có thể viết: ! = 4>lmsina>t (2-2) Tương tự: dT I _ 7T U| = W,--— = Wị«>lmsin(wt + ặ) (2-3) dt = Ulmsin(wt + ị) Ulm, lm - biên độ điện áp và từ thông. um = W1W0lm = 27rfWjí*jm (2-4) 2œ• U. = w,
Điện áp cảm ứng vượt trước từ thông góc 90". Điện áp sơ cấp và thứ cấp thường được ghi trên nhãn máy. Dòng điện định mức cùa máy được tính từ công suất định mức và điện áp định mức. ỏ máy biến áp ba pha dòng điện định mức sẽ là: S.1O3 I,(2) - 'A U1(2) - điện áp sơ cấp (thứ cấp), V s - công suất, kVA. ỈHÌIN6 TĂM ì HỮ iềỉ
3. Xác định thông số máy biến áp Nghiên cứu đặc tính máy biến áp cần biết thông số của từng dây quấn, trong đo' dây quấn thứ cấp của máy thường được qui đổi sang phía sơ cấp. a. Điện áp và dòng điện qui đổi như sau: W1 = U2 (3-1) m1( m2 - sô' pha dây quấn sơ cấp và dây quấn thứ cấp. b. Điện trỏ và điện kháng qui đổi như sau: mjR^I 2 ~ m2^2^2 (qui đổi vẫn giữ nguyên tổn hao công suất.) Thay r2 bằng giá trị theo (3-2), ta có: m, / W,. 2 = (3-3) m2' **27 Tương tự ta cũng co' điện kháng của dây quấn thứ cấp qui đổi sang sơ cấp như sau: x2 = X2 —■ ( _ (3- 4) 2 2 m2\ w/ Đối với điện kháng hỗ cảm, qui đổi sang phía sơ cấp ta có: W1 X12 = X12-77T (3- 5> 12 12 Đối với trường hợp nối sao, ziczac cần phải biến đổi thêm. Qui đổi điện áp pha dây quấn thứ cấp sang sơ cấp (hình 3-1) phải thỏa mãn các điều kiện sau: . . . ____ -. -ỊM. I ỉ 18 . r ị
w W’ = cos30° U’2 2Wj u2 = ự3w2 2Wị U’2 = u2- V3 w2 Dòng thứ cấp qui đổi sang sơ cấp phải dựa vào định luật bảo toàn năng lượng: ziczăc và nối sao. nijU2I2 — m2U2I2 Thay U2 bằng giá trị ở biểu thức (3-6) và = m2, ta có: V3 w7 D = I2 -~-2 (3- 7) 2 2 2W1 Tương tự ta cũng có điện trở, điện kháng tự cảm và điện kháng hỗ cảm qui đổi sang sơ cấp như sau: 4 T , W, , 7 *2 -3^ ( w2 > (3-8) 4 (>)2 X’ = 3„ x22 (3-9) \ w2 / 2W, X’12 = X12- (3-10) V3W2 Đối với máy biến áp tự ngẫu (hình 3-2), ta có: IjiWj - w2) = (I2 - I,)W2 W1 - w2 *2 - I, = I, (3-11) w2 19
Tổn hao nãng lượng ở dây quấn sơ và thứ cấp như sau: △ P = (Rj - R2)lf + R2(I2 - I,)2 Kết hợp với (3-11): , /W• - W2> AP = (Rị - R2)lf 2\ . w2 ') W1 - w2 2 Rc = (R| — R2) + R2 ¥ w2 / (3-12) Trong đo' Rc là điện trở tổng của máy biến áp tự ngẫu qui đổi sang dây quấn sơ cấp. Điện kháng hỗ cảm qui đổi của máy biến áp tự ngẫu sẽ bằng: W1 x 2 = X12-77T (3-13) 12 12 w2 Hlnh 3-2. Sơ dô máy biến áp tự ngẫu 20