Máy biến áp - Chương 3: Tính toán thiết kế mạch động lực

CHƯƠNG III TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC 3 .1. TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC . 3.1.Sơ đồ mạch động lực có các thiết bị bảo vệ. Hình 3-1 sơ đồ mạch bảo vệ có các thiết bị bảo vệ Các thông số của động cơ. Nguồn điện lưới xoay chiều 3 pha : 220/ 380 (V) - Động cơ một chiều có các thông số sau : = 10 Kw ; Udm = 220 V ; Idm = 63 A ; Rư = 0,03 Ω Hệ số dự trử điện áp : Ku = 1,5÷ 1,8. Hệ số dự trử dòng điện : Kd = 1,1 ÷1,4. 3.2. Tính chọn thyristor : Tính chọn thyristor dựa vào các yếu tố cơ bản như : dòng điện tải , sơ đồ chỉnh lưu, điều kiện tản nhiệt , điện áp làm việc . - Điện áp ngược lớn nhất mà thyristor phải chịu : Unmax = Knv .U2 = Knv . = = .220 = 230,383 V ; Trong đó : Knv = ; Ku = các hệ số điện áp ngược và điện áp tải ;( với mạch cầu 3 pha điều khiển đối xứng) - Điện áp ngược của van cần chọn : Unv = Ku .Unmax = 1,8 .230,383 = 414,689 V ; Trong đó : Ku - Hệ số dự trữ điện áp , thường chọn Ku = 1,8(Ku = 1,5 ÷1,8) ; - Dòng điện làm việc của van đựơc tính theo dòng hiệu dụng : Ilv = Ihd = khd .Id = = = 36,373( A) ; ( do trong sơ đồ cầu ba pha , hệ số dòng điện hiệu dụng : khd = ) . - Chọn thyristor làm việc với điều kiện có cánh tản nhiệt và đủ diện tích tản nhiệt , không có quạt đối lưu không khí , với điều kiện có dòng điện định mức của van cần chọn : Idm = kd .Ilv = 1,4 .36,373 = 50,922 A ; ki : Hệ số dự trữ dòng điện , chọn kd = 1,4. Để chọn thyristor làm việc với các tham số định mức cơ bản trên , ta tra bảng thông số van , chọn các van có thông số điện áp ngược , dòng điện định mức lớn hơn gần nhất với thông số đã tính . Sau khi tính toán ta phải chọn thyristor với các thông số: Idmv = 50,96 (A), Unv = 414,54 (V).ta chọn được 6 thyritor loại : T60N600BOC có các thông số sau : Dòng điện định mức của van: Idm = 60 (A) ; Điện áp ngược cực đại của van: Un = 600 (V) ; Đỉnh xung dòng điện : Ipk = 1400(A) ; Độ sụt áp trên thyristor : ∆UT = 1,8 (V) ; Dòng điện của xung điều khiển : Ig = 150 (mA) ; Điện áp của xung điều khiển : Ug = 1,4 (V) ; Dòng điện rò : Ir = 25 (mA) ; Nhiệt độ làm việc cực đại : Tmax = 125 0C ; Dòng điện duy trì : Ih = 200 mA ; Tốc độ biến thiên điện áp : = 400 (V/µs) ; Thời gian chuyển mạch : tcm =180 (µs) ; 3.3. Tính toán máy biến áp chỉnh lưu : Để chọn các thiết bị trong mạch động lực cũng như mạch bảo vệ , trước hết cần xác định điện áp ra của bộ biến đổi Thyristor . Chọn máy biến áp ba pha ba trụ có sơ đồ nối dây ,làm mát tự nhiên bằng không khí . Máy biến áp là một bộ phận quan trọng của hệ thống điện , thực hiện các chức năng sau . - Biến đổi điện áp nguồn cho phù hợp với yêu cầu sơ đồ phụ tải . - Bảo đảm sự cách ly giữa phụ tải với lưới điện để vận hành an toàn và thuận tiện - Biến đổi số pha cho phù hợp với số pha của sơ đồ phụ tải . - Tạo điểm trung tính cho sơ đồ hình tia . - Hạn chế dòng điện ngắn mạch trong chỉnh lưu và hạn chế mức tăng dòng Anot để bảo vệ van . - Cải thiện hình dáng sóng điện lưới làm cho nó đỡ biến dạng so với hình sin , do đó nâng cao chất lượng điện áp lưới . * Tính các thông số cơ bản : - Tính công suất biểu kiến của máy biến áp : - Điện áp pha sơ cấp máy biến áp : U1 = 380 V ; - Điện áp pha thứ cấp máy biến áp : Phương trình cân bằng điện áp khi có tải : Ud0.cosαmin = Ud + 2∆UV + ∆Udn + ∆UBA Trong đó : αmin = 100 là góc dự trữ khi có suy giảm điện áp lưới ; ∆UV = 1,8 V là sụt áp trên thyristor ; ∆Udm ≈ 0 là sụt áp trên dây nối : ∆UBA = ∆Ur + ∆Ux là sụt áp trên điện trở và điện kháng trên máy biến áp ; Chọn sơ bộ : ∆UBA = 6%.Ud = 0,06. 220 = 13,2 V ; Từ phương trình cân bằng điện áp khi có tải ta có : Ud0 = Điện áp pha thứ cấp máy biến áp : U2 = = ; - Dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp : I2 = .Id = .63= 51,44( A) ; - Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp : I1 = kBA.I2 = .I2 = ;  * Xác định kích thước của mạch từ . - Tiết điện sơ bộ trụ . QFe = kQ.;Trong đó : kQ : Hệ số phụ thuộc phương thức làm mát , lấy kQ = 6(máy biến áp khô kQ = 5÷6 ) . m : Số trụ của máy biến áp , m = 3 . f : Tần số của nguồn xoay chiều , f = 50 Hz . Thay vào ta có : QFe = . - Đường kính trụ : d = = . Chuẩn hóa đường kính trụ theo tiêu chuẩn : d = 9 cm . - Chọn loại thép kỹ thuật điện , các lá thép có độ dày 0,5 mm . Chọn sơ bộ mật độ từ cảm trong trụ BT = 1 T . - Chọn tỷ số m = = 2,3 . Suy ra h = 2,3 d = 2,3 . 9 = 20,7 cm . ( Thông thường m = 2 ÷ 2,5 ) . Chọn chiều cao trụ h = 21 cm . * Tính toán dây quấn . - Số vòng dây mổi pha sơ cấp máy biến áp : W1 = ( vòng) . Lấy W1 = 290 vòng . - Số vòng dây mổi pha thứ cấp máy biến áp : W2 = .W1 = vòng . Lấy W2 = 78 vòng . - chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp : Với dây dẫn bằng đồng , máy biến áp khô , chọn J1 = J2 = 2,75 A/mm2 . - Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp : S1 = = mm2 . Chọn dây dẫn thiết diện hình chũ nhật , cách điện cấp B . Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn : S1 = 5,04 mm2 . Kích thước của dây có kể đến cách điện là : S1cd = a1 × b1 = 2,1 × 2,63=5,04 (mm) . - Tính lại mật độ dòng điện trong cuôn sơ cấp : J1 = = = A/mm2 . - Thiết diện dây dẫn thứ cấp máy biến áp : S2 = = ( mm2 ). Chọn dây dẫn có tiết diện chữ nhật , có cách điện cấp B . Chuẩn hoá tiết diện theo chuẩn : S2 = 18,9 ( mm2 )  Kích thước của dây có kể đến cách điện là : S2cd = a2 × b2 = 2,24 ×8,6= 18,9 ( mm2 ) - Tính lai mật độ dòng điện trong cuộn thứ cấp : J2 = = (A/mm2 ). * Kết cấu dây quấn sơ cấp . Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theo chiều dọc trục . - Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp : W11 = vòng .Trong đó : kc : Là hệ số ép chặt , lấy kc = 0,95  h : Chiều cao trụ h = 21 cm . hg : Khoảng cách từ gông đế cuộn dây sơ cấp . Chọn sơ bộ khoảng cách cách điện gông hg = 1,5 cm . - Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn sơ cấp : n11 = lớp . Chọn số lớp n11 = 5 lớp . Như vậy có 290 vòng chia thành 5 lớp , vậy 4 lớp đầu có 64 vòng và lớp thứ 5 có:290– 4 . 64 = 34 vòng . - Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp : h1 = cm . - Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dày : S01 = 0,1 cm . - Khoảng cách từ trụ tới cuộn sơ cấp : a01 = 1 cm . - Đường kính trong của ống cách điện : Dt = dFe + 2a01 – 2S01 = 9 + 2 . 1 – 2 . 0,1 = 10,8 cm . - Đường kính trong của cuộn sơ cấp : Dt1 = Dt + 2S01 = 10,8 + 2 . 0,1 = 11 cm . - Chọn bề dày cách điện giữa các lớp ở cuộn sơ cấp : cd11 = 0,1 mm . - Bề dày cuộn sơ cấp : Bd1 = ( a1 + cd11 ).n11 = ( 2,1 + 0,1 ).5 = 11 mm = 1,1 cm . - Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp : Dn1 = Dt1 + 2Bd1 = 11 + 2 . 1,1 = 13,2 cm . - Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp : Dtb1 = cm. - Chiều dài dây quấn sơ cấp : l1 = W1.π.Dtb = π .290.12,1 = 11024 cm = 110,24 m . - Chọn bề dày cách điện giữa hai cuộn sơ cấp và thứ cấp : cd0 = 1 cm . * Kết cấu dây quấn thứ cấp . - Chọn sơ bộ cuộn chiều cao cuộn thứ cấp : h2 = h1 = 17,72 (cm) . - Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp : W12 = = vòng . Chọn W12 =20 (vòng) - Tính sơ bộ số lớp dây quấn thứ cấp: nl2 = lớp . chọn n12 = 4 lớp . 78vòng được chia thành 4 lớp, 3 lớp đầu mổi lớp có 20 vòng, lớp thứ 4 có: 78- 3.20 =18( vòng) - Chiều cao thực tế của cuộn thứ nhất : h2 = cm . - Đường kính trong của cuộn thứ cấp : Dt2 = Dn1 + 2a12 = 13,2 + 2 . 1 = 15,2 cm . - Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây ở cuộn thứ cấp : cd22 = 0,1 mm . - Bề dày cuộn thứ cấp : Bd2 = ( a2 + cd22 ). nl2 = ( 0,224 + 0,01 ) . 4= 0,936 cm . - Đường kính ngoài của cuộn thứ cấp : Dn2 = Dt2 + 2.Bd2 = 15,2 + 2 . 0,936 = 17,072 cm . - Đường kính trung bình của cuộn thứ cấp : Dtb2 = cm . - Chiều dài dây quấn thứ cấp: l2 = π.W2.Dtb2 = π . 78 . 16,136 = 3954 cm = 39,54 m . - Đường kính trung bình của các cuộn dây : D = cm . Suy ra : r = cm . = 2( cm). Tính kích thước mạch từ. Vớ đường kính trụ là d = 9 (cm) ta có số bậc là 5 trong nửa tiết diện trụ.( theo bảng 41a trang 213 sách thiết kế máy biến áp điện lực – PHAN TỬ THỤ). Hình 3- 2các bậc thang ghép thành trụ và kết cấu các cuộn dây Tính toàn bộ tiết diện bậc thang của trụ: + Theo bảng 41a trang 213 sách thiết kế máy biến áp điện lực – PHAN TỬ THỤ. Tiết diện hiệu quả của trụ: Với : - hệ số hiệu quả. Tổng chiều dày của các bậc thang hình trụ: (cm) Số lá thép trong các bậc: + Bậc 1: (lá) + Bậc 2: (lá) + Bậc 3: (lá) + Bậc 4: (lá) + Bậc 5: (lá) Để đơn giản trong chế tạo tạo ta chọn gông có tiết diện hình chử nhật có các kích thước sau: +Chiều dày của gông bằng chiều dày của trụ: b = dt =8 (cm). +Chiều cao của gông bằng chiều rộng tập lá thép thứ nhất của trụ: a = 8,5 (cm). +Tiết diện gông: Tiết diện hiệu quả của gông: Số lá thép dùng trong một gông: Tính chính xác mật độ điện cảm trong trụ: Mật độ tự cảm trong gông: Chiều rộng của sổ: c = 2( + + + ) + = 2( 1 +1,1+ 1 + 0,936) + 2 =10,072 (cm). Khoảng cách giữa hai tâm trục: (cm). Chiều rộng mạch từ: C = 2c + 3d = 10,072. 2 + 3. 9= 47,144 (cm). Chiều cao mạch từ: H = h + 2a = 21 + 2 .8,5 = 38 ( cm). Hình 3 – 3 sơ đồ kết cấu máy biến áp Tính khối lượng của sắt: Thể tích của trụ: Thể tích của gông: Khối lượng của trụ: Khối lượng của gông: Khối lượng của sắt: Thể tích của đồng: Khối lượng của đồng: 8,9 . 3,909=34,79(kg) * Các thông số của máy biến áp : Điện trở trong của cuộn sơ cấp máy biến áp ở 75oC : R1 = ρ. = . Trong đó : ρ = 0,02133 Ω.mm2/m. Điên trở trong của cuộn thứ cấp máy biến áp ở 75oC : R2 = Điện trở máy biến áp quy đổi về thứ cấp : . Sụt áp trên điện trở máy biến áp : Δur = RBA.Id = 0,079. 63 = 4,977(V ). Điện kháng máy biến áp quy đổi về thứ cấp : XBA = 8.π2.(W2)2.()(a12 + ).ω.10-7. XBA = 0,109 Ω . Trong đó: + + bán kính trong dây quấn thứ cấp Điện cảm máy biến áp quy đổi về thứ cấp : LBA = = . Tổng trở ngắn mạch quy đổi về thứ cấp: Sụt áp trên điện kháng máy biến áp : ΔUx = .XBA.Id = .0,109.63 =6,558 V . Sụt áp trên máy biến áp: Điện áp động cơ khi góc mở . Tổn hao ngắn mạch trong máy biến áp: Tổn hao không tải có kể đến 15 tổn hao phụ. Điện áp ngắn mạch tác dụng : Unr = . Điện áp ngắn mạch phản kháng: Unx = . Điện áp ngắn mạch phần trăm: Un = % . Dòng điện ngắn mạch xác lập: Dòng điện ngắn mạch tức thười cực đại : - Đỉnh xung dòng điện max của thyristor. Kiểm tra máy biến áp thiết kế có đủ điện kháng không để hạn chế tốc độ biến thiên của đong điện chuyển mạch. Giả sử mạch chuyển từ T1 sang T3, ta có phương trình: Vậy máy biến áp thết kế sử dụng tốt. Hiêu suất thiết bi chỉnh lưu: Ta có các thông số của MBA. Công suất máy biến áp biểu kiến SBA = 14553VA Điện áp pha sơ cấp U1 = 380 V Điện áp pha thứ cấp U2 = 102,798 V Dòng điện hiệu dụng sơ cấp I1 = 13,91 A Dòng điện hiệu dụng thứ cấp I2 = 51,44 A Số vòng dây mổi pha sơ cấp W1 = 290 vòng Số vòng dây mổi pha thứ cấp W2 = 78 vòng Chiều dài dây quấn sơ cấp l1 = 110,24 m Chiều dài dây quấn thứ cấp l2 = 39,54 m Điện trở trong cuộn sơ cấp R1 = 0,467 Ω Điện trở trong cuộn thứ cấp R2 = 0,045 Ω Điện trở quy đổi về thứ cấp RBA = 0,079 Ω Điện kháng quy đổi về thứ cấp XBA = 0,109 Ω Điện cảm quy đổi về thứ cấp LBA = 0,35 mH Điện áp ngắn mạch phần trăm Un = 6,731 % Bảng 3 – 1 các thông số của máy biến áp