ĐỒÁNTỐTNGHIỆPThiết kế máy biến áp đầu máy một pha
LỜIMỞĐẦU
húng ta đang sống trong thời đại với sự phát triển không ngừng của
khoa học kĩ thuật, một thời đại mà sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa
được đặt lên hàng đầu .
Nói đến công nghiệp hóa, hiện đại hóa thì không thể tách rời được
ngành điện, ngành điện đóng một vai trò mấu chốt trong quá trình đó.
Trong ngành điện thì công việc thiết kế máy điện là một khâu vô cùng
quan trọng, nhờ có các kĩ sư thiết kế máy điện mà các máy phát điện mới
được ra đời cung cấp cho các nhà máy điện. Khi điện đãđược sản xuất ra
thì phải truyền tải điện năng tới nơi tiêu thụ, trong quá trình truyền tải điện
năng đó thì không thể thiếu được các máy biến áp điện lực dùng để tăng và
giảm điện áp lưới sao cho phù hợp nhất đối với việc tăng điện áp lên cao
để tránh tổn thất điện năng khi truyền tải cũng như giảm điện áp cho phù
hợp với nơi tiêu thụ .
Trong lĩnh vực công nghiệp máy biến áp đóng vai trò vô cùng quan
trọng phục vụ cho việc cung cấp điện năng chuyển hoá thành các dạng
năng lượng khác ứng dụng vào sản xuất. Trong đó máy biến áp dùng cho
đầu máy chạy điện cũng đóng vai trò rất quan trong phục vụ cho ngành
giao thông vận tải. Đầu máy chạy điện là phương tiện giao thông hữu ích
tiện lợi, đặc biệt nó có lợi cho môI trường. Vì vậy đầu máy chạy điện được
sử dụng khá rộng rãI trên thế giới. Tuy nhiên một vấn đềđặt ra là việc cấp
điện cho động cơđầu máy là khó khăn. Vì vậy việc thiết kế chế tạo MBA
cho đầu máy chạy điện cần đặc biệt chú trọng.
Chính vì lý do đó trong đợt thực tập tốt nghiệp lần này emđãđựơc giao
đề tài Thiết kế máy biến áp 1 pha dùng cho đầu máy chạy điện. Bằng tất
SINHVIÊN :PHẠMBÙIANHTUẤN
1
ĐỒÁNTỐTNGHIỆPThiết kế máy biến áp đầu máy một pha
cả cố gắng của mình ,với những kiến thức nhận được từ thầy cô và sự
hướng dẫn tận tình của thầy giáo Phạm Văn Bình ,màemđã làm nên bài

Đường dây tải
Máy biến áp
giảm áp
Hộ tiêu thụ
3
ĐỒÁNTỐTNGHIỆPThiết kế máy biến áp đầu máy một pha
sử dụng điện áp thấp từ 127V, 500V hay cùng lắm đến 6KV, do đó trước
khi sử dung điện năng ởđây cần phải có thiết bị giảm điện áp xuống.
Những thiết bị dùng để tăng điện áp ra của máy phát điện tức đầu đường
dây dẫn và những thiết bị giảm điện áp trước khi đến hộ tiêu thụ gọi là
các máy biến áp (MBA).
Thực ra trong hệ thống điện lực, muốn truyền tải và phân phối công
suất từ nhà máy điện đến tận các hộ tiêu thụ một cách hợp lí, thường phải
qua ba, bốn lần tăng và giảm điện áp như vậy. Do đó tổng công suất của
các MBA trong hệ thống điện lực thường gấp ba, bốn lần công suất của
trạm phát điện. Những MBA dùng trong hệ thống điện lực gọi là MBA
điện lực hay MBA công suất. Từđó ta cũng thấy rõ, MBA chỉ làm nhiệm
vụ truyền tải hoặc phân phối năng lượng chứ không chuyển hóa năng
lượng.
Ngày nay khuynh hướng phát triển của MBA điện lực là thiết kế chế
tạo những MBA có dung lượng thật lớn, điện áp thật cao, dùng nguyên
liệu mới chế tạo để giảm trọng lượng và kích thước máy.
Nước ta hiện nay ngành chế tạo MBA đã thực sự có một chỗđứng
trong việc đáp ứng phục vụ cho công cuộc công nghiệp hiện đại hóa
nước nhà. Hiện nay chúng ta đã sản xuất được những MBA có dung
lượng 63000KVA với điện áp 110KV.
1.2 ĐỊNHNGHĨAMÁYBIẾNÁP
Máy biến áp là một thiết bịđiện từđứng yên, làm việc dựa trên nguyên
lí cảm ứng điện từ, biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ởđiện áp
này thành một hệ thống dòng điện xoay chiều ởđiện áp khác, với tần số

: Công suất thứ cấp .
+ W
2
: Số vòng dây cuộn thứ cấp .
1.3 CÁCLƯỢNGĐỊNHMỨC
Các lượng định mức của MBA do mỗi nhà chế tạo qui định sao cho
phù hợp với từng loại máy . Có nhiều lượng định mức, dưới đây ta giới
thiệu vài đại lượng cơ bản:
a. Điện áp định mức
SINHVIÊN :PHẠMBÙIANHTUẤN
5
ĐỒÁNTỐTNGHIỆPThiết kế máy biến áp đầu máy một pha
Điện áp sơ cấp định mức kí hiệu U
1đm
,làđiện áp qui định cho dây quấn sơ
cấp .
Điện áp thứ cấp định mức kí hiệu U
2đm
,làđiện áp giữa các cực của
dây quấn sơ cấp Khi dây quấn thứ cấp hở mạch vàđiện áp đặt vào dây
quấn sơ cấp làđịnh mức ,người ta qui ước với MBA 1 pha điện áp định
mức làđiện áp pha ,với MBA 3 pha làđiện áp dây .Đơn vị của điện áp ghi
trên nhãn máy thường là KV .
b. Dòng điện định mức
Dòng điện định mức là dòng điện đã qui định cho mỗi dây quấn của
MBA ,ứng với công suất định mức vàđiện áp định mức .Đối với MBA 1
pha dòng điện định mức là dòng điện pha .Đối với MBA 3 pha dòng điện
định mức là dòng điện dây .
c. Công suất định mức
Công suất định mức của MBA là công suất biểu kiến định mức .Công

.
1.4 CÔNGDỤNGCỦA MBA
MBA đã vàđang được sử dụng rộng rãi trong đời sống ,phục vụ
chúng ta trong việc sử dụng điện năng vào các mục đích khác nhau như
+ Trong các thiết bị lò nung có MBA lò .
SINHVIÊN :PHẠMBÙIANHTUẤN
6
ĐỒÁNTỐTNGHIỆPThiết kế máy biến áp đầu máy một pha
+ Trong hàn điện có MBA hàn .
+ Làm nguồn cho các thiết bịđiện ,thiết bịđiện tử công suất .
+ Trong lĩnh vực đo lường (Máy biến dòng ,Máy biến điện áp…)
+ Máy biến áp thử nghiêm .
+ Vàđặc biệt quan trọng là MBA điện lực được sử dụng trong hệ
thống điện .
Trong hệ thống điện MBA có vai trò vô cùng quan trọng , dùng để
truyền tải và phân phối điện năng ,vì các nhà máy điện công suất lớn
thường ở xa các trung tâm tiêu thụđiện (Các khu công nghiệp và các hộ
tiêu thụ…) vì thế cần phải xây dựng các hệ thống truyền tải điện năng
.
Điện áp do nhà máy phát ra thường là : 6.3;10.5;15.75;38.5 KV.Để
nâng cao khả năng truyền tải và giảm tổn hao công suất trên đường dây
phải giảm dòng điện chạy trên đường dây ,bằng cách nâng cao điện áp
truyền ,vì vậy ởđầu đường dây cần lắp đặt MBA tăng áp 110 KV ;
220KV ;500 KV v..v.vàở cuối đường dây cần đặt MBA hạáp để cung
cấp điện cho nơi tiêu thụ ,thường là 127V đến 500V và các động cơ
công suất lớn thường là 3 đến 6KV .
1.5 CẤUTẠOCỦAMÁYBIẾNÁP
Máy biến áp có 2 bộ phận chính đó là : Lõi sắt và Dây quấn. Ngoài ra
còn có các bộ phận khác như vỏ máy và hệ thống làm mát.
1.5.1 Lõi sắt máy biến áp

8
ĐỒÁNTỐTNGHIỆPThiết kế máy biến áp đầu máy một pha
Dây quấn ôm lấy trụ sắt, gông từ chỉ giáp phía trên và phía dưới dây
quấn mà không bao lấy mặt ngoài của dây quấn, trụ sắt thường bố tríđứng,
tiết diện trụ có dạng gần hình tròn, kết cấu này đơn giản, làm việc bảo đảm,
dùng ít vật liệu, vì vậy hiện nay hầu hết các MBA điện lực đều sử dụng kiểu
lõi sắt này(Hình 1.3)
b.Lõi sắt kiểu bọc:
Kiểu này gông từ không những bao lấy phần trên và phần dưới dây
quấn mà còn bao cả mặt bên của dây quấn. Lõi sắt như bọc lấy dây quấn, trụ
thường để nằm ngang, tiết diện trụ có dạng hình chữ nhật. MBA loại này
cóưu điểm là không cao nên vận chuyển dễ dàng, giảm được chiều dài của
dây dẫn từ dây quấn đến sứ ra, chống sét tốt vì dùng dây quấn sen kẽ nên
điện dung dây quấn C
dq
lớn, điện dung đối với đất C
đ
nhỏ nên sự phân
bốđiện áp sét trên dây quấn đều hơn. nhưng kiểu lõi sắt này có nhược điểm
là chế tạo phức tạp cả lõi sắt và dây quấn, các lá thép kĩ thuật điện nhiều loại
kích thước khác nhau khi dây quấn quấn thành ống tiết diện tròn, trong
trường hợp dây quấn quấn thành ống chữ nhật thìđộ bền về cơ kém vì các
SINHVIÊN :PHẠMBÙIANHTUẤN
Hình 1.3: Kết cấu mạch từ kiểu trụ
a. Một pha; b. Ba pha;
9
ĐỒÁNTỐTNGHIỆPThiết kế máy biến áp đầu máy một pha
lực cơtác dụng lên dây quấn không đều, tốn nguyên vật liệu. Lõi sắt loại này
thường được sử dụng chế tạo cho các MBA lòđiện (Hình 1.4)
c.Lõi sắt kiểu trụ – bọc ( Hình 1.5):

Để giảm bớt tổn hao do tính dẫn từ không đẳng hướng khi ghép các lá
thép ta có thể thêm những mối nối nghiêng giữa trụ và bốn góc, hay có thể
cắt vát góc lá thép kĩ thuật điện như (hình 1.6.c.d.e).
Do dây quấn thường quấn thành hình tròn, nên tiết diện ngang của trụ
sắt thường làm thành hình bậc thang gần tròn.
Gông từ vì không quấn dây do đóđể thuận tiện cho việc chế tạo tiết diện
ngang của gông có thể làm đơn giản, hình vuông hình chữ nhật hay chữ T.
Tuy nhiên hiện nay hầu hết các MBA điện lực người ta hay dùng tiết diện
gông hình bậc thang có số bậc gần bằng số bậc của tiết diện trụ.
SINHVIÊN :PHẠMBÙIANHTUẤN
12
a. b.
Lượt 1
Lượt 2
c.
Lượt 1 Lượt 2
d.
e.
L­ît 2
L­ît 1
Lượt 2
Lượt 1
ĐỒÁNTỐTNGHIỆPThiết kế máy biến áp đầu máy một pha
Hình 1.6 Thứ tự ghép lõi sắt ba pha.
a. Ghép nối; b. Ghép xen kẽ mối nối thẳng; c. Ghép xen kẽ mối nối
nghiêng 4 góc;
d. Ghép xen kẽ mối nối nghiêng 6 góc; e. ghép xen kẽ hỗn hợp.
1.5.2 Dây quấn máy biến áp.
Dây quấn là bộ phận dẫn điện của MBA, làm nhiệm vụ thu năng lượng
vào và truyền năng lượng ra. Kim loại làm dây quấn thường bằng đồng,

thùng.
a. Thùng MBA :
Thùng máy làm bằng thép, thường là hình bầu dục. Lúc MBA làm việc,
một phần năng lượng bị tiêu hao, thoát ra dưới dạng nhiệt đốt nóng lõi thép,
dây cuốn và các bộ phận khác làm cho nhiệt độ của MBA tăng lên. Do đó
giữa MBA và môi trường xung quanh có một hiệu số nhiệt độ gọi là nhiệt độ
chênh. Nếu nhiệt độ chênh vượt quá qui định thì sẽ làm giảm tuổi thọ cách
điện và có thể gây sự cốđối với MBA.
Trong các MBA để tăng cường làm nguội MBA khi vận hành thì lõi
MBA được ngâm trong môi trường dầu. Nhờ sựđối lưu trong dầu, nhiệt
truyền từ các bộ phận bên trong MBA sang dầu rồi từ dầu qua vách thùng và
truyền ra môi trường xung quanh. Lớp dầu sát vách thùng nguội dần sẽ
chuyển dần xuống phía dưới và lại tiếp tục làm nguội một cách tuần hòan
các bộ phận bên trong MBA. Mặt khác dầu MBA còn làm nhiệm vụ tăng
cường cách điện.
Tùy theo dung lượng MBA, mà hình dáng và kết cấu thùng dầu khác
nhau. Loại thùng dầu đơn giản nhất là thùng dầu phẳng thường dùng cho các
MBA dung lượng từ 30KVA trở xuống.
Đối với các MBA cỡ trung bình và lớn, người ta dùng loại thùng dầu
cóống hay loại thùng có bộ tản nhiệt.
Hình 1.9 Thùng dầu kiểu ống Hình 1.10 Thùng dầu có bộ tản nhiệt
Ở những MBA có dung lượng đến 10.000KVA. Ta dùng những bộ tản
nhiệt có thêm quạt gióđể tăng cường làm nguội MBA.
Ở những MBA dùng trong trạm thủy điện, dầu được bơm qua một hệ
thống ống nước để tăng cường làm nguội máy.
b. Nắp thùng:
Nắp thùng MBA dùng đểđậy thùng và trên đóđặt các chi tiết máy quan
trọng như: Các sứ ra của đầu dây CA và HA, bình giãn dầu, ống bảo hiểm,
hệ thống rơle bảo vệ, bộ phận truyền động của bộđổi nối các đầu điều chỉnh
điện áp của dây quấn CA.

. Trong lõi thép và sinh ra từ thông . móc vòng với cả hai cuộn
I
1
I
2
Z
W
1
W
2
U
1
U
dây sơ cấp và thứ cấp, cảm ứng ra các sức điện động e
1
và e
2
. ở cuộn sơ cấp
có sức điện động sẽ sinh ra dòng điện i
2
đưa ra tải với điện áp là u
2
.
Giả thiết điện áp xoay chiều đặt vào là một hàm số hình sin thì từ thông
do nó sinh ra cũng là một hàm số hình sin.
d == o m. sinmt
Do đó theo định luật cảm ứng điện từ, sức điện động cảm ứng trong các
dây quấn sơ cấp và thứ cấp là:
e
1

=
dt
tmd
ωφ
sin
= -wW

mcosmt t
2
E
2
sin(Wt-
2
π
π i n (
Trong đó:
E
1
=
2
1
mW
φω
=
2
2
1
mfW
φπ
=4,44fW

1
≈
E
1
, U
2
≈
E
2
do đó k có thể coi như tỉ sốđiện áp giữa dây quấn sơ cấp và thứ cấp.
k=
2
1
E
E
≈
2
1
U
U
1.7 MỤCĐÍCHYÊUCẦUVÀNHIỆMVỤ:
Đểđảm bảo về tính toán hợp lý tốn it thời gian, việc tính toán MBA sẽ
lần lượt tiến hành theo trình tự như sau:
1. X ác định các đại lượng cơ bản:
• Tính dòng điện pha, điện áp pha của các dây quấn
• Xác định điện áp thử của các dây quấn
• Xác định các thành phần của điện áp ngắn mạnh
2. Tính toán các kích thước chủ yếu
• Chọn sơđồ và kết cấu lõi sắt
• Chọn loại và mã hiệu tôn Silic, cách điện của chúng, chọn

chất riêng, khi thiết kế cần lưu ý.
- Công suất MBA được xác định từcông suấtđộng cơ 1 chiều kéo đầu
máy, kích thước và trọng lượng MBA phụ thuộc vào công suất này.
- Bên cạnh đó MBA cần thiết điều chỉnh điện áp trong phạm vi từ 0 →
U. → Do đó cần tăng cường đảm bảo chống ngắn mạch, độ bền điện vàđộ
bền cơ khí cao, chống chấn động.
Muốn đảm bảo các yêu cầu trên cần lưu ý sử dụng các vật liệu có chất
lượng cao để tăng tuổi thọ cho MBA. Thường thì MBA đầu máy có tuổi thọ
thấp. Trong khi tuổi thọ trung bình của MBA điện lực là 40 năm thìMBA
đầu máy chỉ khoảng 20 năm.
Một phần tử rất quan trọng của MBA đầu máy là bộ phận thay đổi
điện áp. Nóđược tính toán với chếđộ làm v iệc khắc nghiệt đến 1000 lần thây
đổi điện áp đầy tải trong 1 ngày. Phần tử này làm việc nặng nề nhất và hay
hư hỏng nhất. Có nhiều phương pháp điều chỉnh điện áp MBA
380
220
120
0
3000
0
1500
T
VS
0 - 930 V 0 - 930 V 0 - 930 V 0 - 930 V
S
S
R
R
S
S

3
X
Hình vẽ: Máy biến áp một pha mạch từ ba trụ
Để giảm trọng lượng, người ta chế tạo mạch điện từ kiểu 3 trụ. Trụ I
có từ thông Φ
1
không đổi do điện áp lưới đặt lên số vòng dây không đổi sinh
ra. Trên trụ này đặt dây quấn tự dùng vàdây quấn sưởi ấm. Từdây quấn
MBA tự ngẫu sẽ nối với dây quấn trụ II vàdây quấn nối tiếp trụ III. Từ thông
trụ II làΦ
2
gồm 0,5Φ
1
và từ thông biến thiên Φ
x
. Trong đóΦ
x
thay đổi tuỳ
theo vị trí chuyển mạch ở MBA tự ngẫu. Như vậy sự phân bố từ thông qua 3
trụ theo tỉ lệ 1:1,5:0,5.
Sử dụng loại lõi thép này không thể dùng dây quấn hình trụ, vì không
thểđồng thời có 3 trụ tiết diện tròn khi số lá thép như nhau. Người ta phải
dùng dây quấnôvan thay cho dây quấn hình trụ, làm tăng giá thành vào
khoảng 25% tiền công chế tạo. Dùng dây quấnôvan sẽ tận dụng được diện
tích cửa sổ MBA hơn là dùng dây quấn tròn. Kích thước máy lợi này sẽ nhỏ
hơn, kích thước thùng dầu và trọng lượng toàn bộ máy sẽ giảm đi so với loại
máy 2 mạch từ riêng rẽ, xếp chung trong 1 thùng dầu. Trọng lượng trên đơn
vịcông suất vào khoảng 2,3 kg/KVA
2. Điều chỉnh điện áp phía hạáp
MBA điều chỉnh điện áp phía cao áp códòng điện qua chuyển mạch