Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Máy biến áp là một hệ thống biến đổi cảm ứng điện từ tĩnh, có chức năng biến đổi dòng điện xoay chiều từ cấp điện áp này sang cấp điện áp khác cùng tần số thông qua hệ thống mạch từ và mạch điện liên kết từ trường. Trong hệ thống lưới điện truyền tải và phân phối, máy biến áp đóng vai trò thiết yếu nhằm tối ưu hóa khả năng truyền dẫn công suất, giảm thiểu tổn hao năng lượng trên đường dây, đồng thời cung cấp các cấp điện áp phù hợp cho các phụ tải công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải và dân dụng.

Đề tài "Thiết kế máy biến áp ba pha ngâm dầu" là đồ án môn học Thiết kế thiết bị điện được thực hiện tại Bộ môn Kỹ thuật Điện, Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội bởi sinh viên Nguyễn Văn Thành (MSV: 2020600768, lớp 20222EE6110002, ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử) dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Văn Đoài vào năm 2023. Đề tài tập trung giải quyết bài toán tính toán kỹ thuật và thiết kế kết cấu hoàn chỉnh cho một máy biến áp phân phối ba pha ngâm dầu có công suất định mức trung bình, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành của Việt Nam.

Nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật được giao bao gồm các thông số đầu vào định mức như sau:

  1. Công suất định mức ($S_{đm}$): $750\text{ kVA}$.
  2. Cấp điện áp làm việc: $35 \pm 2 \times 2,4%\text{ kV}$.
  3. Tổ đấu dây: $\text{Dyn11}$.
  4. Tổn hao không tải ($P_0$): $1600\text{ W}$.
  5. Dòng điện không tải ($i_0%$): $1,6%$.
  6. Tổn hao ngắn mạch ($P_n$): $4200\text{ W}$.
  7. Điện áp ngắn mạch ($u_n%$): $5%$.
  8. Phương thức làm mát: ONAN (ngâm dầu tuần hoàn tự nhiên, làm mát bằng không khí tự nhiên).
  9. Độ tăng nhiệt độ cho phép tuân thủ theo tiêu chuẩn $\text{TCVN 6036-2:2006}$ (hoặc $\text{TCVN 6306-2:2006}$).

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là máy biến áp ba pha ngâm dầu kiểu phân phối công suất $750\text{ kVA}$. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong việc tính toán giải tích mạch từ, tính toán điện từ dây quấn cao áp và hạ áp, kiểm nghiệm cơ học lực ngắn mạch, tính toán chế độ nhiệt thùng dầu cánh sóng và hoàn thiện hồ sơ bản vẽ tổng lắp ráp kỹ thuật khổ A3 theo quy định của nhà trường và tiêu chuẩn quốc gia.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý điện từ học cổ điển ứng dụng trong máy điện tĩnh: hiện tượng cảm ứng điện từ Faraday và định luật mạch từ Ampère, giải thích sự liên kết năng lượng giữa mạch sơ cấp (đầu vào với các thông số $U_1, I_1, f$) và mạch thứ cấp (đầu ra với các thông số $U_2, I_2, f$) thông qua từ trường biến thiên trong lõi thép dẫn từ khép kín.

Để đảm bảo tính chuẩn hóa và mức độ tương thích kỹ thuật trong chế tạo thiết bị điện, đồ án áp dụng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia Việt Nam gồm:

  • $\text{TCVN 1011-2015}$, $\text{TCVN 3079-2015}$, $\text{TCVN 2608-2015}$: Các quy chuẩn và phương pháp thử nghiệm đối với máy biến áp.
  • $\text{TCVN 6036-1:2015}$ / $\text{TCVN 6306-1:2015}$: Yêu cầu kỹ thuật chung đối với máy biến áp điện lực.
  • $\text{TCVN 6036-2:2006}$ / $\text{TCVN 6306-2:2006}$: Tiêu chuẩn về độ tăng nhiệt và cấp chịu nhiệt của máy biến áp ngâm dầu.
  • $\text{TCVN 8:2015}$: Tiêu chuẩn quy định về trình bày bản vẽ kỹ thuật.
  • Quyết định số 815/QĐ-ĐHCN ngày 15/08/2019 của Hiệu trưởng Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội về quy cách trình bày báo cáo tiểu luận, bài tập lớn, đồ án tốt nghiệp (Biểu mẫu BM03).

Phương pháp nghiên cứu chủ đạo là phương pháp tính toán giải tích kỹ thuật thiết kế máy điện. Tác giả sử dụng các công thức giải tích chuẩn để xác định các kích thước hình học cơ bản của lõi thép dựa trên tỷ số giữa trọng lượng vật liệu dẫn từ và vật liệu dẫn điện thông qua hệ số tỷ lệ $\beta$, kết hợp tối ưu hàm chi phí tác dụng $C'_{td}$. Các bước tính toán được đối chiếu trực tiếp với giới hạn tiêu chuẩn cho phép về tổn hao, dòng điện rò, độ sụt áp, độ bền cơ học khi xuất hiện sự cố ngắn mạch và độ tăng nhiệt của dầu, cuộn dây trong chế độ làm việc đầy tải liên tục.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống kỹ thuật của máy biến áp ba pha ngâm dầu $750\text{ kVA}$ được xây dựng và triển khai qua các khối chức năng chính:

Hạng mục thiết kế Thành phần kết cấu Thông số và nội dung triển khai kỹ thuật
Mạch từ (Lõi thép) Trụ và gông từ Ghép từ các lá thép kỹ thuật điện (tôn silic), phân bố theo tập trụ bậc thang (Bảng 2-5) để tối ưu hóa tiết diện tròn của trụ; tính toán khối lượng sắt từ $G$, tổn hao không tải $P_0 \le 1600\text{ W}$, dòng điện từ hóa không tải $i_0% \le 1,6%$.
Hệ thống dây quấn Cuộn dây hạ áp và cuộn dây cao áp Xác định tỷ số vòng dây (Bảng 1-1), mật độ dòng điện, tiết diện dây dẫn, số lớp và chiều cao cuộn dây hạ - cao áp (Hình 2-8); bố trí cuộn dây hạ áp phía trong, cuộn dây cao áp phía ngoài đồng tâm.
Bộ điều chỉnh điện áp Nấc phân áp cao áp Thiết kế các nấc điều chỉnh điện áp đầu vào cuộn cao áp theo dải $\pm 2 \times 2,4%$ (Hình 2-5 và Hình 2-7) nhằm ổn định điện áp thứ cấp khi lưới dao động.
Kiểm nghiệm ngắn mạch Hệ thống cách điện và kết cấu cơ học Tính toán tổn hao chính (tổn hao đồng), tổn hao phụ trong dây quấn, kiểm tra điện áp ngắn mạch ($u_n = 5%$) và phân tích phân bố lực cơ học tác dụng theo chiều trục lên dây dẫn khi ngắn mạch (Hình 2-9).
Hệ thống cách điện Cách điện trong và dẫn ra Tính toán khoảng cách cách điện giữa các cuộn dây, khoảng cách điện của dây dẫn ra phía cao áp (Hình 2-11) và dây dẫn ra phía hạ áp (Hình 2-12) trong môi trường dầu cách điện.
Hệ thống làm mát Thùng dầu và cánh sóng Thùng dầu bằng thép hàn kín, trang bị hệ thống cánh sóng tản nhiệt (Hình 2-10) để giải nhiệt tự nhiên kiểu ONAN; tính toán diện tích tản nhiệt và chênh lệch nhiệt độ từng phần.
Hồ sơ kỹ thuật Bản vẽ lắp ráp 01 Bản vẽ tổng lắp ráp máy biến áp ba pha ngâm dầu hoàn chỉnh thực hiện trên khổ giấy A3 theo tiêu chuẩn $\text{TCVN 8:2015}$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu chung về máy biến áp

Chương 1 thiết lập nền tảng lý thuyết và cơ sở pháp quy phục vụ công tác thiết kế thiết bị điện:

  • Khái niệm và nguyên lý hoạt động: Định nghĩa máy biến áp như một thiết bị điện từ tĩnh dùng để truyền đưa năng lượng hoặc tín hiệu điện xoay chiều giữa các mạch thông qua hiện tượng cảm ứng điện từ; mô tả hệ thống sơ cấp với các đại lượng đầu vào ($U_1, I_1, f$) và hệ thống thứ cấp với các đại lượng đầu ra ($U_2, I_2, f$) cùng sơ đồ nguyên lý mạch từ - mạch điện (Hình 1-1).
  • Phân loại máy biến áp: Khảo sát các nhóm máy biến áp tăng áp và giảm áp trong hệ thống truyền tải/phân phối; so sánh máy biến áp 3 pha và máy biến áp 1 pha (nêu rõ máy biến áp 3 pha có tính kinh tế cao hơn, trong khi tổ ba máy biến áp 1 pha có ưu thế về khả năng vận chuyển linh hoạt); phân loại theo mục đích sử dụng gồm máy biến áp lực (hoạt động tối ưu khi đầy tải trong giờ cao điểm), máy biến áp phân phối (giảm áp cung cấp cho phụ tải tiêu thụ) và máy biến áp đo lường.
  • Quy trình và nhiệm vụ thiết kế máy biến áp: Phân tích trình tự ba bước thiết kế thiết bị điện gồm xác định nhiệm vụ kỹ thuật, tính toán điện từ (xác định các kích thước mạch từ, dây quấn, tham số không tải và ngắn mạch) và thiết kế thi công (kết cấu cơ khí, vỏ thùng, giá đỡ, bản vẽ kỹ thuật).
  • Hệ thống tiêu chuẩn: Trích dẫn tiêu chuẩn cấp chịu nhiệt và độ tăng nhiệt $\text{TCVN 6036-2:2006}$ / $\text{TCVN 6306-2:2006}$ quy định giới hạn nhiệt độ cho phép đối với máy biến áp ngâm dầu.

Chương 2: Thiết kế máy biến áp

Chương 2 là nội dung trọng tâm của đồ án, trình bày toàn bộ các bước tính toán giải tích định lượng từ các tham số danh định:

  • Giới thiệu mục tiêu và tính toán tham số cơ bản: Khởi tạo thông số định mức ($S_{đm} = 750\text{ kVA}$, $U = 35 \pm 2 \times 2,4\text{ kV}$, tổ đấu dây Dyn11). Tính toán dòng điện định mức các phía, xác định tỷ số vòng dây giữa các cuộn (Bảng 1-1).
  • Lựa chọn tối ưu hệ số kích thước $\beta$: Khảo sát mối quan hệ giữa hệ số tỷ lệ kích thước hình học $\beta$ với các đại lượng kỹ thuật và kinh tế thông qua các đồ thị và bảng số liệu: đồ thị công suất tổn hao không tải $P_0$ theo $\beta$ (Hình 2-1, Bảng 2-1), phần trăm dòng điện không tải $I_0%$ theo $\beta$ (Hình 2-2), khối lượng vật liệu $G$ theo $\beta$ (Hình 2-3, Bảng 2-3), và chi phí quy đổi tác dụng $C'_{td}$ theo $\beta$ (Hình 2-4, Bảng 2-4) để chọn điểm làm việc tối ưu.
  • Tính toán kết cấu dây quấn:
    • Dây quấn hạ áp: Tính toán số vòng dây, chọn loại dây dẫn, tiết diện dây dẫn, tính toán kích thước hình học và chiều cao cuộn hạ áp.
    • Dây quấn cao áp: Tính toán số vòng dây ứng với từng nấc điện áp, thiết kế sơ đồ điều chỉnh điện áp cuộn cao áp $\pm 2 \times 2,4%$ (Hình 2-5, Hình 2-7), xác định chiều cao cuộn cao áp và khoảng hở cách điện (Hình 2-8).
  • Tính toán chế độ ngắn mạch:
    • Tính toán tổn hao chính (tổn hao đồng trên điện trở thuần của các cuộn dây) và tổn hao phụ (do dòng xoáy Foucault gây ra trong dây dẫn).
    • Xác định điện áp ngắn mạch tính toán $u_n%$ đối chiếu với giá trị yêu cầu $5%$.
    • Tính toán kiểm nghiệm lực cơ học khi xuất hiện dòng ngắn mạch đột biến, phân tích phân bố lực tác dụng theo chiều trục lên kết cấu dây dẫn (Hình 2-9) để đảm bảo độ bền vững kết cấu.
  • Tính toán hệ thống mạch từ và chế độ không tải:
    • Thiết kế kết cấu lõi thép: Xác định đường kính trụ, tính toán các bậc thang ghép lá tôn silic tạo tiết diện trụ tròn, phân bổ thứ tự các tập trụ (Bảng 2-5).
    • Tính toán thông số không tải: Xác định cảm ứng từ trong trụ và gông, tính tổng tổn hao sắt từ $P_0$ (yêu cầu $\le 1600\text{ W}$) và dòng điện không tải $i_0%$ (yêu cầu $\le 1,6%$).
  • Tính toán nhiệt và kết cấu tản nhiệt:
    • Sơ lược nguyên lý truyền nhiệt trong máy biến áp ngâm dầu tự nhiên.
    • Tính toán độ chênh lệch nhiệt độ từng phần giữa cuộn dây với dầu, giữa dầu với vách thùng.
    • Tính toán nhiệt thùng dầu cánh sóng: Xác định kích thước thùng chứa dầu, tính toán bề mặt tản nhiệt của hệ thống cánh sóng (Hình 2-10) nhằm đảm bảo nhiệt độ làm việc của máy không vượt quá giới hạn theo tiêu chuẩn $\text{TCVN 6036-2:2006}$.
    • Xác định khoảng cách cách điện an toàn cho các đầu dây dẫn ra phía cao áp (Hình 2-11) và hạ áp (Hình 2-12).

Chương 3: Kết luận, kiến nghị và hướng phát triển của đề tài

Chương 3 tổng kết toàn bộ kết quả tính toán thiết kế của đồ án:

  • Khẳng định các thông số tính toán điện từ, tổn hao, dòng không tải, điện áp ngắn mạch và độ tăng nhiệt độ đều thỏa mãn các ràng buộc trong phiếu giao đề tài.
  • Trình bày hướng phát triển của đề tài trong tương lai nhằm nâng cao hiệu quả thiết kế và ứng dụng thực tiễn trong ngành chế tạo thiết bị điện.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

Đồ án đã hoàn thành đầy đủ các nội dung tính toán thiết kế theo phiếu giao nhiệm vụ của Bộ môn Kỹ thuật Điện, tổng hợp các chỉ tiêu kỹ thuật chính như sau:

Thông số kỹ thuật Giá trị yêu cầu thiết kế Giá trị tính toán kiểm nghiệm Trạng thái kỹ thuật
Công suất định mức ($S_{đm}$) $750\text{ kVA}$ $750\text{ kVA}$ Đạt chỉ tiêu
Cấp điện áp sơ cấp $35 \pm 2 \times 2,4%\text{ kV}$ $35 \pm 2 \times 2,4%\text{ kV}$ Đạt chỉ tiêu
Tổ đấu dây Dyn11 Dyn11 Đạt chỉ tiêu
Tổn hao không tải ($P_0$) $1600\text{ W}$ Đạt theo đồ thị/bảng tính $\beta$ Đạt chỉ tiêu
Dòng điện không tải ($i_0$) $1,6%$ Đạt theo đồ thị/bảng tính $\beta$ Đạt chỉ tiêu
Tổn hao ngắn mạch ($P_n$) $4200\text{ W}$ Đạt theo tính toán tổn hao chính và phụ Đạt chỉ tiêu
Điện áp ngắn mạch ($u_n$) $5%$ Đạt chuẩn thiết kế điện áp ngắn mạch Đạt chỉ tiêu
Chế độ làm mát ONAN Cánh sóng tản nhiệt dầu tự nhiên Đạt tiêu chuẩn
Cấp chịu nhiệt $\text{TCVN 6036-2:2006}$ Thỏa mãn độ tăng nhiệt các bộ phận Đạt tiêu chuẩn
Hồ sơ bản vẽ 01 Bản vẽ tổng lắp A3 Hoàn thành theo $\text{TCVN 8:2015}$ Đạt tiêu chuẩn

Đóng góp của đề tài

  1. Xây dựng một quy trình tính toán thiết kế giải tích chi tiết, logic cho dòng máy biến áp phân phối ba pha ngâm dầu cấp điện áp $35\text{ kV}$, dung lượng $750\text{ kVA}$.
  2. Thiết lập chuỗi dữ liệu định lượng cụ thể về sự biến thiên của tổn hao không tải ($P_0$), dòng không tải ($i_0%$), khối lượng sắt từ ($G$) và hàm chi phí kinh tế kỹ thuật ($C'_{td}$) theo hệ số hình học $\beta$.
  3. Cung cấp giải pháp kết cấu hoàn chỉnh từ việc phân bố các tập trụ bậc thang của lõi thép, sơ đồ đấu nấc phân áp cuộn cao áp, cách điện dây dẫn ra đến kết cấu thùng dầu cánh sóng tản nhiệt ONAN.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Đề tài được thực hiện trong khuôn khổ đồ án môn học Thiết kế thiết bị điện, do đó các kết quả tính toán chủ yếu dựa trên phương pháp giải tích truyền thống kết hợp tiêu chuẩn kỹ thuật; đồ án chưa kết hợp các phần mềm mô phỏng trường điện từ chuyên dụng (như phần mềm phần tử hữu hạn FEM) để phân tích chi tiết mật độ từ thông bão hòa cục bộ hoặc trường phân bố ứng suất nhiệt phức tạp trên vách thùng sóng.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Văn bản đề cập hướng phát triển đề tài tại Chương 3, tập trung vào việc nghiên cứu tối ưu hóa kết cấu máy biến áp, ứng dụng các loại vật liệu dẫn từ và cách điện mới có tổn hao thấp hơn, cũng như áp dụng công cụ mô phỏng số vào quy trình thiết kế và kiểm nghiệm thiết bị điện.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án này mang lại giá trị tham khảo cụ thể cho các đối tượng sau:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện, Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử (CNKTĐ-ĐT): Làm tài liệu mẫu phục vụ học tập, tra cứu công thức, quy trình tính toán và quy chuẩn trình bày báo cáo cho đồ án môn học Thiết kế thiết bị điện, đồ án môn học Máy điện và đồ án tốt nghiệp đại học.
  • Người nghiên cứu và kỹ sư thiết kế thiết bị điện: Tham khảo phương pháp lựa chọn tối ưu hệ số $\beta$ kết hợp hàm chi phí $C'_{td}$, phương pháp phân bố bậc thang lá tôn silic trong tập trụ lõi thép (Bảng 2-5) và tính toán nhiệt thùng dầu cánh sóng tản nhiệt theo các tiêu chuẩn Việt Nam ($\text{TCVN 6036-2:2006}$, $\text{TCVN 8:2015}$).

Câu hỏi thường gặp

1. Máy biến áp trong đồ án có các thông số danh định chính nào? Máy biến áp được thiết kế là loại ba pha ngâm dầu có công suất định mức $S_{đm} = 750\text{ kVA}$, điện áp làm việc $35 \pm 2 \times 2,4%\text{ kV}$, tổ đấu dây Dyn11, tần số công nghiệp $f$, kiểu làm mát bằng dầu tự nhiên và không khí tự nhiên (ONAN).

2. Các chỉ tiêu về tổn hao và chế độ ngắn mạch, không tải được giao trong đề tài là gì? Các chỉ tiêu định mức bao gồm: tổn hao không tải $P_0 = 1600\text{ W}$, dòng điện không tải $i_0 = 1,6%$, tổn hao ngắn mạch $P_n = 4200\text{ W}$ và điện áp ngắn mạch $u_n = 5%$.

3. Đồ án áp dụng những tiêu chuẩn kỹ thuật nào để phục vụ tính toán và thiết kế? Đồ án sử dụng các tiêu chuẩn: $\text{TCVN 1011-2015}$, $\text{TCVN 3079-2015}$, $\text{TCVN 2608-2015}$, $\text{TCVN 6036-1:2015}$ / $\text{TCVN 6306-1:2015}$ (quy chuẩn về máy biến áp), $\text{TCVN 6036-2:2006}$ / $\text{TCVN 6306-2:2006}$ (quy chuẩn cấp chịu nhiệt, độ tăng nhiệt) và $\text{TCVN 8:2015}$ (quy chuẩn bản vẽ kỹ thuật).

4. Nội dung tính toán nhiệt trong đồ án bao gồm những phần nào? Tính toán nhiệt bao gồm: sơ lược lý thuyết tính toán nhiệt máy biến áp ngâm dầu, tính toán chênh lệch nhiệt độ từng phần (giữa cuộn dây với dầu, dầu với vách thùng) và tính toán nhiệt thùng dầu cánh sóng tản nhiệt để đảm bảo không vượt quá giới hạn tăng nhiệt theo tiêu chuẩn.

5. Sản phẩm hồ sơ bản vẽ yêu cầu thực hiện trong đồ án gồm những gì? Theo phiếu giao đề tài, sản phẩm bản vẽ kỹ thuật gồm 01 bản vẽ tổng lắp ráp máy biến áp ba pha ngâm dầu được thực hiện trên khổ giấy A3 theo tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế máy biến áp ba pha ngâm dầu 750kVA" của tác giả Nguyễn Văn Thành tại Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội là một công trình thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh và bài bản trong lĩnh vực thiết bị điện. Bằng việc vận dụng phương pháp giải tích kỹ thuật kết hợp hệ thống tiêu chuẩn $\text{TCVN}$, đề tài đã giải quyết trọn vẹn các bài toán tính toán điện từ, kiểm tra bền cơ học ngắn mạch, tính toán nhiệt thùng dầu cánh sóng và hoàn thiện bản vẽ tổng lắp A3. Các số liệu và quy trình trong đồ án cung cấp tài liệu tham khảo có giá trị cao cho sinh viên và cán bộ kỹ thuật ngành Điện - Điện tử.