Luận văn Đề Tài:Thiết kế máy biến áp
400kVA ngâm dầu
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp 400kVA ngâm dầu

SV: Nguyễn Tuấn Long - Lớp: TBĐ - ĐT

1
LỜI NÓI ĐẦU

Máy điện là một loại hệ điện từ gồm có mạch từ và mạch điện liên
quan với nhau. Mạch từ gồm các bộ phận dẫn từ và khe hở không khí.
Mạch điện gồm hai hoặc nhiều dây quấn có thể chuyển động tương đối với
nhau cùng bộ phận mang chúng.
Máy biến áp là một hệ thống biến đổi cảm ứng điệ
n từ dùng để biến

Hà Nội, ngày tháng năm 2004
Người thiết kế
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp 400kVA ngâm dầu

SV: Nguyễn Tuấn Long - Lớp: TBĐ - ĐT

3
CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ THIẾT KẾ MÁY
BIẾN ÁP

I.1. ĐẠI CƯƠNG
Máy biến áp điện lực là một bộ phận rất quan trọng trong hệ thống
điện. Để truyền tải điện năng từ các trạm phát điện đến các hộ tiêu thụ cần
phải có đường dây tải điện. Nếu khoảng cách giữa nơi sản xuất và hộ tiêu
thụ lớn thì một vấn đề rất lớn đặt ra và cần được gi
ải quyết là: Việc truyền
tải điện năng đi xa làm sao cho kinh tế.
Như ta đã biết, cùng một công suất truyền tải trên đường dây nếu
điện áp được tăng cao thì dòng điện chạy trên đường dây sẽ giảm xuống,
như vậy có thể làm tiết diện dây nhỏ đi do đó trọng lượng và chi phí dây sẽ
giảm xuống. Vì thế muốn truyền tải công su
ất lớn đi xa ít tổn hao và tiết
kiệm được kim loại màu trên đường dây người ta phải dùng điện áp cao
đường 35, 110, 220 và 500KV. Trên thực tế các máy phát điện không có

Khuynh hướng phát triển của máy biến áp hiện nay là thiết kế chế
toạ những máy biến áp có dung lượng thật lớn, điện áp thật cao, dùng
nguyên liệu mới để giảm trọng lượng và kích thước máy. Về vật liệu hiện
nay đã dùng loại thép cán lạnh không những có từ
tính tốt mà tổn hao sắt
lịa ít do đó nâng cao được hiệu suất của máy biến áp. Khuynh hướng dùng
dây nhôm thay dây đồng vừa tiết kiệm được dây đồng vừa giảm được trọng
lượng máy cũng đang phát triển.
Ở nước ta ngành chế tạo máy biến áp đã ra đời ngay từ ngày hoà
bình lập lại. Đến nay chúng ta đã sản xuất được một khối lượng máy biến
áp khá lớn và nhiều chủng loạ
i khác nhau phục vụ cho nhiều ngành sản
xuất ở trong nước và xuất khẩu.
I.2. ĐỊNH NGHĨA VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC.
Ta xét máy biến áp một pha hai dây quấn. Dây quấn 1 có W
1
vòng
dây, dây quấn 2 có W
2
vòng dây được quấn trên lõi thép 3. Khi đặt một
Đồ
điệ
thé
sức
điệ
chi
thô
1 v
án tốt nghiệ
ện áp U

và e
2
a.
ới dòng điệ
ợc truyền từ
ử điện áp
sinh ra cũn
theo định
vào dây qu
g φ móc vò
. Dây quấn
ện là U
2
. N
ừ dây quấn
xoay chiều
ng là một h
luật cảm ứ
Th
uấn 1 trong
òng với cả
n hai sẽ có
Như vậy n
n 1 sang dâ
u đặt vào
hàm hình si
ứng điện từ
hiết kế máy b
g đó sẽ có
hai dây q

õi
ra
ng
ay
từ
ấn
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp 400kVA ngâm dầu

SV: Nguyễn Tuấn Long - Lớp: TBĐ - ĐT

6
()
11 1
1m
1
dd.sint
eW. W.
dt dt
W. . .cos t 1
2E .sin
2
Φ Φω
=− =−
=− ωΦ ω
π
⎛⎞
=ω−
⎜⎟
⎝⎠


ωφ
==
4,44. F. W
1
. Φ
m
. (3)

2m
2
E
E
2
ωφ
==
4,44. F. W
2
. Φ
m
. (4)
Là giá trị hiệu dụng của các sức điện động dây quấn 1 và 2. Các biểu
thức (1) và (2) ta thấy sức điện động trong dây quấn chậm pha so với từ
thông sin ra nó một góc
2
π
. Dựa vào biểu thức (3) và (4) người ta định
nghĩa tỉ số biến đổi củ máy biến áp như sau:

11
22

trên nguyên lý cảm ứng điện tử biến đổi một hệ thống dòng điện xoay
chiều ở diện áp này thành một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp
khác với tần số không thay đổi. Máy bi
ến áp có hai đây quấn gọi là máy
biến áp hai dây quấn. Dây nối với nguồn để thu năng lượng gọi là dây quấn
sơ cấp, ở máy biến áp 3 dây quấn 6 dây sơ cấp và thứ cấp còn dây quấn thứ
3 với điện áp trung bình. Máy biến áp biến đổi hệ thống xoay chiều 1 pha
gọi là máy biến áp một phat, 3 pha gọi là 3 pha, ngâm trong đầu gọi là máy
biến áp dầu…
I.3. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐỊNH MỨC
Các đại lượng định mức của máy biến áp quy định điều kiện kỹ thuật
của máy. Các đại lượng này do nhà chế tạo quy định và thường ghi trên
nhãn máy biến áp.
1. Dung lượng hay công suất định mức S
đm
.
Là công suất toàn phần hay biểu kiến đưa ra ở dây quấn thứ cấp của
máy biến áp. Đơn vị KVA hay VA…
2. Điện áp sơ cấp định mức: U
1đm

Là điện áp dây quấn sơ cấp tính bằng V hay KV. Nếu dây quấn sơ
cấp có các đầu phân nhánh thì người ta ghi cả điện áp định mức của đầu
phân nhánh.
3. Điện áp dây thứ cấp định mức: U
3đm
Là điện áp dây của dây quấn thứ cấp máy biến áp không tải và điện
áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức. Đơn vị là: KV, V
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp 400kVA ngâm dầu


5. Tần số định mức: Hz
Thường máy biến áp điện lực có tần số công nghiệp f = 50Hz
Ngoài ra trên nhãm máy còn ghi những số liệu khác như: số pha, sơ
đồ và tổ đấu dây quấn, điện áp ngắn mạch U
n
% chế độ làm việc ngắn hạn
hay dài hạn phương pháp làm lạnh.
Sau cùng hiểu rằng khái niệm “định mức” còn bao gồm cả tình trạng
làm việc định mức của máy biến áp nữa mà có thể không ghi trên nhãn máy
như: η định mức, độ chênh lệch định mức, nhiệt độ định mức của môi
trường xung quanh.
1.4. SỬ DỤNG VẬT LIỆU TRONG CHẾ TẠO
Việc tìm kiếm một loại vật liệu mới là nhằm mục đích cải thiện các
đặc tính cũ máy biến áp như giảm tổn thao năng lượng, kích thước, trọng
lượng, tăng độ tin cậy của nó. Khuynh hướng chung thường thay vật liệu
quý hiếm bằng những vật liệu rẻ tiền và dễ tìm kiếm hơn như dùng dây
nhôm thay dây đồng trong máy biến áp công suất nhỏ và trung bình là một
ví dụ.
Vật liệu dùng trong máy biến áp thường là:
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp 400kVA ngâm dầu

SV: Nguyễn Tuấn Long - Lớp: TBĐ - ĐT

9
− Vật liệu tác dụng: dùng để dẫn điện như dây quấn, dẫn từ như lõi
thép
− Vật liệu cách điện: dùng để cách điện giữa các cuộn dây hay giữa
các cuộn đây với các bộ phận khác bằng các vật liệu như catong,
chất cách điện, sứ, dầu biến áp…
− Vật liệu kết cấu: dùng để giữ bảo vệ


10
dùng dây dẫn có cách điện cao hơn E, B, F… không có ý nghĩa lắm vì nhiệt
độ cho phép của dây quấn máy biến áp được quy định không chỉ ở cấp cách
điện của vật liệu cách điện mà còn ở nhiệt độ cho phép của dầu ngâm dây
quấn nữa. Một loại cách điện hay dùng bọc dây nữa là men cách điện
(emay). Song người ta cũng chỉ dùng đến cách điện cấp B mà ít khi dùng
dây cách điện cao hơn nữ
a. Vì một lý do nữa là nhiệt độ cho phép càng cao
thì mật độ dòng điện chọn càng lớn thì tổn hao ngắn mạch tăng lên làm cho
hiệu suất của máy giảm xuống đáng kể. Để cách điện các bộ phận mang
điện với bộ phận không mang điện của máy người ta dùng vật liệu cách
điện. Khi máy làm việc do tác động củ nhiệt độ, chấn động và các tác động
lý hoá khác cách điệ
n sẽ bị lão hoá nghĩa là mất dần các tính bền về điện và
cơ. Thực nghiệm cho biết khi nhiệt độ tăng quá nhiệt độ làm việc cho phép
8 – 10
0
C thì tuổi thọ của vật liệu cách điện khoảng 15 – 20 năm. Vì vậy khi
sử dụng máy điện tránh để máy quá tải làm nhiệt độ tăng cao trong một
thời gian dài.
Vật liệu kết cấu dùng để chế tọ các bộ phận và chi tiết truyền động hoặc
kết cấu máy theo dạng cần thếit đảm bảo cho máy làm việc bình thường.
Người ta thường dùng gang thép các loại, hợp kim và các vậ
t liệu bằng chất
dẻo.
1.5. CÁC KẾT CẤU CHÍNH CỦA MÁY BIẾN ÁP.
Máy biến áp thường dùng các phần chính sau:
- Lõi sắt (hay còn gọi là mạch từ) và các kết cấu của nó, dây quấn, hệ
thống làm lạnh và vỏ máy.

3. Hệ thố
ng làm lạnh và vỏ máy.
Khi máy biến áp làm việc, lõi sắt và dây quấn đều có tổn hao năng
lượng làm cho máy biến áp nóng lên. Muốn máy biến áp làm việc được lâu
dài phải tìm biện pháp giảm nhiệt độ của máy biến áp xuống tức là quá
trình làm nguội máy biến áp. Có thể làm nguội bằng không khí tự nhiên
hoặc bằng dầu máy biến áp. Máy biến áp dùng không khí để làm nguội gọi
là máy biến áp khô, máy biến áp dùng dầu để làm nguội gọi là máy biến áp
dầu. Hầ
u hết máy biến áp làm nguội bằng dầu bao quanh lõi thép và dây
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp 400kVA ngâm dầu

SV: Nguyễn Tuấn Long - Lớp: TBĐ - ĐT

12
quấn sẽ nóng lên và truyền nhiệt ra ngoài vách thùng nhờ hiện tượng đối
lưu. Nhiệt lượng từ vách thùng lại truyền ra không khí xung quanh bằng
phương pháp đối lưu và bức xạ. Nhờ vậy mà hiệu ứng làm lạnh được tăng
lên cho phép tăng tải điện từ đối với thép và dây quấn, tăng được công suất
máy biến áp. Máy biến áp có công suất từ (10 – 16).10
3
KVA thường phải
tăng cường làm nguội bằng sự đối lưu cưỡng bức bằng quạt gió. Để đảm
bảo dầu trong máy luôn luôn đầy trong quá trình làm việc trên máy biến áp
có 1 thùng dầu phụ hình trụ thường đặt nằm ngang với bình đầu chính bằng
ống dẫn dầu. Tuỳ theo nhiệt độ của máy biến áp mà dầu giãn nở tự do
trong bình dầu phụ, không ảnh hưởng đến lượng dầu máy biến áp. Vì v
ậy
bình dầu phụ còn được gọi là bình dầu giãn nở.
Trên nắp thùng còn các sứ để bắt các đầu dây dẫn ra nối với các dây

n
, P
n
đã cho.
− Xác định đường kính trụ, chiều cao dây quấn. Tính toán sơ bộ lõi
sắt
3. Tính toán dây quấn CA và HA
− Chọn dây quấn CA và HA
− Tính cuộn dây HA
− Tính cuộn dây CA
4. Tính toán ngắn mạch.
− Xác định tổn hao ngắn mạch
− Tính toán điện áp ngắn mạch
− Tính lực cơ bản của dây quấn khi máy biến áp bị ngắn mạch
5. Tính toán cuối cùng về hệ thống mạ
ch từ và tham số không tải của
máy biến áp.
− Xác định kích thước cụ thể của lõi sắt
− Xác định tổn hao không tải
− Xác định dòng điện không tải và hiệu suất
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp 400kVA ngâm dầu

SV: Nguyễn Tuấn Long - Lớp: TBĐ - ĐT

14
6. Tính toán nhiệt và hệ thống làm nguội máy biến áp.
− Quá trình truyền nhiệt trong máy biến áp
− Khái niệm hệ thống làm nguội máy biến áp
− Tiêu chuẩn về nhiệt độ chênh
− Tính toán nhiệt máy biến áp

= 133,333 [KVA]
3. Dòng điện dây định mức.
+ Đối với phía cao áp.

3
®m
2®m
3
2
S
400.10
I
3.U 3.22.20
== =
10, 5 [A]
+ Đối với phía hạ áp.
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp 400kVA ngâm dầu

SV: Nguyễn Tuấn Long - Lớp: TBĐ - ĐT

15

3
®m
1®m
3
1
S
400.10
I

1
1f
U
0,4.10
U
33
==
= 230,9 (V)
6. Điện áp thử nghiệm của các dây quấn
Theo bảng (2) ta tra được: U
t2
= 55 [KV]
U
t1
= 5 [KV]
II.2. CHỌN CÁC SỐ LIỆU XUẤT PHÁT VÀ TÍNH CÁC KÍCH THƯỚC CHỦ
YẾU.
7. Chiều rộng quy đổi của rãnh từ tản giữa dây quấn CA và HA
Với U
t2
= 55[KV] theo bảng 19 TKMBA thầy Phan Tử Thụ ta tra:
a
12
= 18 (mm): khoảng cách giữa cuộn CA và HA
δ
12
= 5 (mm): ống cách điện giữa cuộn CA và HA
d
2
= 30 (mm): chiều dài đầu thừa

aa
3
+
=+

Trong đó:

2
4
12
aa
K. S'.10
3
−
+
=

Với K = 0,52 (theo bảng 12)
Vậy:

2
12
4
aa
0,52. 133,333.10
3
−
+
=
=0,0177 (m)

t
= 1,62T
Hệ số gang: K
g
= 1,015 (theo bảng 6 Phan Tử Thụ)
Ép trụ bằng nêm với dây quấn, ép gông bằng xà ép, không dùng
bulong xuyên qua trụ và gông. Sử dụng lõi thép có 4 nối ghép nghiêng ở 4
góc của lõi, còn 2 nói ghép ở giữa dùng nối ghép thẳng lá tôn. Làm như vậy
để giảm bớt tổn hao do tính dẫn từ không đẳng hướng. Phương pháp ghép hiện đại nhất hiện nay là ghép chéo góc cho tỏn
thao trong mạch từ nhỏ nhấ. Kết cấu mạch từ kiểu không gian như trên r
ất
tiện cho sản xuất hàng loạt và công tác sửa chữa vì rất dễ cơ khí hoá, tự
động hoa và dễ tháo dỡ, lắp ráp.
Theo bảng 4 Phan Tử Thụ ta chọn số bậc thang trong trụ là 6, số bậc
thang của gông lấy bằng 5 bậc.
Hệ số chêm kích K
c
= 0,931 (theo bảng 4 Phan Tử Thụ): không có
tấm sắt ép trụ
Hệ số điền dầy K
d

B
1, 62
B1496T
K1,015
== =

Từ cảm ở khe hở không khí mối nối thẳng
B”
K
= B
t
= 1,62 (T)
Mối nối nghiêng:

()
'
t
K
B
1, 62
B1,145T
22
== =

Suất tổn hao của thép trong trụ và gông
Theo bảng 45 Phan Tử Thụ:
P
t
= 1,194 (W/kg)
P


19

rr
4
4
22
nx t ld
S'.K .a
133,333.0,95.0,0357
A 0,507. 0,507.
f.U .B .K 50.3,756.1,62 .0,839
==

A = 0,163
a. Trọng lượng sắt (G
Fe
): G
Fe
= G
T
+ G
g
- Trọng lượng trụ:
2
1
T2
A
GAx
x

. 0,839. 0,163
2
. 0,45
A
1
= 36,16 (Kg)
Vậy:
2
T
283,95
G36,16x
x
=+

- Trọng lượng của gông: G
g
= B
1
x
3
+ B
2
x
2

+ B
1
= 2,4. 10
4
. K

+a
22
)
B
1
= 2,4. 10
4
. 0,839. 1,015. 0,163
3
. (0,018 + 0,018) = 19,54 (Kg)
Vậy: G
g
= 188,08x
3
+ 19,54 x
222
Fe
283,95
G 188,08x 55,7x
x
=++

b. Trọng lượng dây quấn:
1
dq
2
C

nr
= 1,375%
B
t
= 1,62 T
Vậy:
()
2
2
1
22 2
400.1,38
C 2,46.10 . 298,56 Kg
0,93.0,839 .1,62 .1,375.0,163
−
==

Vậy:
dq
2
298,56
G
x
=

5. Tính tổn hao
- Tổn hao không tải máy biến áp.

() ()
00

2
00
22
00
283,95
P 1,13.1,194 36,16x 0,5.10,64G
x
1,13.1,150 188,08x 19,54x 0,5.10,64G 6G
⎡⎤
=++
⎢⎥
⎣⎦
⎡ ⎤
+++−
⎣ ⎦

P
0
= 244,40x
2
+ 74,17x
2
+ 6,28G
0
.
383,11
x

Mặt khác


Q K .K .q G . G K .K .q G . G N 2 G
22
KqnT
⎡ ⎤
⎡⎤
=+ −+
⎢ ⎥
⎢⎥
⎣⎦
⎣ ⎦
+
∑

Trong đó:

( )
( )
()
()
'''2
if t K
'' ' 2
if g K
K 1,20 q 1,645 VA / Kg P 20480 VA / m
K 1,06 q 1,526 VA / Kg P 2800 VA / m
== =
== =

K
io

''
io
K11,0=
(theo bảng 52a Phan Tử Thụ)
⇒
K
ig
= 4,43 + 2.11 = 39,2
K
ir
= 1,18 (theo bảng 52b Phan Tử Thụ): là hệ số kể đến ảnh hưởng
do chiều rộng lá tôn ở góc mạch từ.
Q
0
= 1,2. 1,06. 1,645.(G
T
+ 0,5. 42,45 G
0
)
+ 1,2. 1,06. 1,526 (G
g
– 6G
g
+ 0,5. 1,18. 39,2G
0
)
+ 1,06. 2800. 4. T’
K
+ 1,06. 20480. 2T
’’

= 0,785. 0,839. 0,163
2
. X
2
= 0,0174x
2

Diện tích khe hở ở mối nối thẳng

'' 2
Kt
T T 0,0174x==

Diện tích khe hở mối nối nghiêng

'22
Kt
T 2T 2.0,0174x 0.0246x== =

Thay vào sau khi biến đổi ta được.
Q
0
= 1757,26x
3
+ 1161,06
2
+
594,02
x


22
283,95 588,68
C 188,08x 55,7x
xx
=+++

16. Thành phần phản kháng của dòng điện không tải

()
22
0
ox
594,02
1757,26x 1161,06x
Q
x
i%
10S 10.400
++
==

i
ox
= 0,44.x
3
+ 0,29 x
2
+
0,15
x

2
298,56
G
x
=

β

1,2 1,8 1,87 1,88 1,89 2,4 3,0 3,6
4
x =β

1,048 1,16 1,167 1,17 1,172 1,245 1,32 1,38
2
4
x
2
=β

1,096 1,344 1,161 1,368 1,374 1,55 1,734 1,90
3
4
x
3
=β

1,148 1,56 1,588 1,60 1,61 1,93 2,29 2,62
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp 400kVA ngâm dầu

SV: Nguyễn Tuấn Long - Lớp: TBĐ - ĐT

0
P 356,93x 74,14x
383,11
x
=+
+

856,60 986,75 996,02 999,99 1003,4
3
111,54 1226,2
0
135,68
T
t
= 0,0174x
2
0,0190 0,0233 0,0236 0,0238 0,0239 0,0269 0,030 0,033
32
0
Q 1757,26x 1161,x
594,02
x
=+
+

3856,6
6
4813,8
6
4879,7

6
3,11510
6
3,12410
6
3,12910
6
3,32410
6

3,52410
6
3,68410
6
dq
2
298,56
G
x
=

272,4 222,14 219,36 218,29 217,29 192,61 172,17 157,13
d=A.x = 0,163.x
0,1708 0,1890 0,1902 0,1907 0,191 0,2029 0,2151 0,2249
d
12
= a. d = 1,38.d
0,2357 0,2608 0,2624 0,2631 0,2635 0,2800 0,2968 0,3103
C = d12 + a12 + a22