Đồ án tốt nghiệp: Tính toán thiết kế mô hình máy biến áp và tải RLC 3 pha

Tham khảo đồ án tính toán thiết kế mô hình máy biến áp và tải RLC 3 pha. Tài liệu đầy đủ lý thuyết, bản vẽ và quá trình thi công thực tế.

• Tác giả: Nguyễn Phước Hà Đông
• Người hướng dẫn: ThS. Lê Phong Phú
• Trường học: Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng
• Chuyên ngành: Điện công nghiệp
• Đề tài: Tính Toán Thiết Kế Mô Hình Máy Biến Áp Và Tải RLC 3 Pha
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái Niệm Và Định Nghĩa Máy Biến Áp 3 Pha

Máy biến áp 3 pha là thiết bị điện quan trọng trong hệ thống điện công nghiệp, có chức năng chuyển đổi điện áp và dòng điện xoay chiều 3 pha mà không thay đổi tần số. Đây là nền tảng thiết yếu cho đồ án thiết kế mô hình máy biến áp và tải RLC 3 pha, giúp học sinh hiểu rõ về hoạt động của các thiết bị điện trong thực tế.

Công dụng chính của máy biến áp bao gồm: nâng cao hoặc hạ thấp điện áp, cách ly điện các mạch khác nhau, và bảo vệ thiết bị điện. Trong hệ thống truyền tải điện năng, máy biến áp đóng vai trò then chốt, giúp giảm tổn hao năng lượng trên đường dây truyền tải. Máy biến áp 3 pha được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy, xí nghiệp, và trạm điện để cung cấp điện cho các tải công nghiệp lớn.

1.1. Cấu Tạo Cơ Bản Của Máy Biến Áp 3 Pha

Máy biến áp 3 pha bao gồm ba thành phần chính: lõi thép, cuộn dây sơ cấp và cuộn dây thứ cấp. Lõi thép được tạo thành từ những lá thép silicium xếp chồng lên nhau để giảm tổn hao xoáy. Cuộn dây sơ cấp nhận điện từ nguồn cấp, trong khi cuộn dây thứ cấp cung cấp điện cho tải. Mỗi cuộn dây được quấn theo một trong ba kiểu đấu dây: Y-Y, Y-Δ, Δ-Y, hoặc Δ-Δ, tùy vào yêu cầu ứng dụng cụ thể.

1.2. Nguyên Lý Làm Việc Và Phân Loại

Nguyên lý hoạt động của máy biến áp dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Faraday. Khi dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn sơ cấp, nó tạo ra từ thông biến thiên qua lõi thép, từ đó cảm ứng ra điện áp trong cuộn thứ cấp. Máy biến áp 3 pha được phân loại thành: máy biến áp hạ thế, máy biến áp nâng thế, và máy biến áp cách ly, mỗi loại có ứng dụng riêng trong thực tế.

II. Thiết Kế Và Tính Toán Tải RLC 3 Pha

Tải RLC 3 pha là mô hình kết hợp ba thành phần điện tử: điện trở (R), cuộn cảm (L), và tụ điện (C). Trong đồ án thiết kế mô hình máy biến áp và tải RLC 3 pha, việc tính toán chính xác các thông số kỹ thuật của tải là yếu tố quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu suất hoạt động.

Tính toán tải trở: Điện trở được tính dựa trên công suất tiêu thụ và điện áp định mức. Tính toán tải cảm: Cuộn cảm được xác định từ dòng điện phản ứng cần thiết. Tính toán tải dung: Tụ điện được chọn để bù công suất phản ứng và cải thiện hệ số công suất. Các tính toán này đảm bảo mô hình hoạt động ổn định trong điều kiện thử nghiệm.

2.1. Tính Toán Chế Tạo Tải Trở R

Tải trở được chế tạo từ các thanh điện trở nhiệt hoặc điện trở công suất cao. Công thức tính: R = U²/P, trong đó U là điện áp định mức, P là công suất tiêu thụ. Trong mô hình 3 pha, ba điện trở được mắc theo kiểu sao (Y) hoặc tam giác (Δ) tùy theo yêu cầu thiết kế. Điện trở phải có khả năng tản nhiệt tốt để không quá nóng trong quá trình hoạt động, vì vậy cần lắp đặt quạt tản nhiệt.

2.2. Tính Toán Chế Tạo Cuộn Cảm L Và Tụ Điện C

Cuộn cảm được quấn từ dây đồng trên lõi thép hoặc lõi không khí, với số vòng được xác định bằng công thức L = (N²×μ×A)/l. Tụ điện được chọn dựa vào dung lượng C = Q/(U√3), với Q là công suất phản ứng cần bù. Cả hai thành phần này cần được bảo vệ bằng các thiết bị an toàn như cầu chì và MCB để đảm bảo an toàn điện.

III. Quá Trình Thi Công Và Lắp Ráp Mô Hình

Quá trình thi công mô hình máy biến áp và tải RLC 3 pha là một công việc phức tạp đòi hỏi kỹ năng kỹ thuật cao và sự tỉ mỉ trong từng bước. Nhóm thực hiện đồ án phải trải qua nhiều giai đoạn: tìm hiểu thiết bị, lựa chọn vật liệu, chế tạo các thành phần, và lắp ráp toàn bộ mô hình thành một hệ thống hoàn chỉnh.

Bước đầu tiên là lên danh sách vật tư cần thiết bao gồm: lõi thép, dây đồng, thanh trở, tụ điện nhôm, dây điện cadivi, MCB, cầu chì, và quạt tản nhiệt. Bước tiếp theo là chế tạo từng thành phần: quấn dây máy biến áp, tạo lắp tải trở, quấn cuộn cảm, và sắp xếp tụ điện. Cuối cùng là lắp ráp tất cả vào thùng điều khiển có bảo vệ.

3.1. Tìm Hiểu Và Lựa Chọn Thiết Bị

Giai đoạn tìm hiểu đòi hỏi nhóm phải nghiên cứu kỹ các loại thiết bị sẵn có trên thị trường. Thanh điện trở nhiệt được chọn loại U-400VAC công suất 446W để đảm bảo chịu được tải 3 pha. Tụ điện được chọn loại nhôm 10μF-400VAC của DAESHINE. Dây điện sử dụng loại Cadivi có cơ chế cách điện tốt. Thiết bị bảo vệ gồm MCB LS 40A và bộ cầu chì để bảo vệ mạch điện.

3.2. Qui Trình Chế Tạo Và Hoàn Thiện

Chế tạo máy biến áp bắt đầu bằng việc quấn dây sơ cấp và thứ cấp theo đúng số vòng tính toán. Sau đó, bọc giấy cách điện để đảm bảo an toàn điện. Tải trở được gắn cố định vào khung kim loại với các lỗ đục sẵn. Tải cảm được quấn dây quanh lõi thép, còn tải dung được sắp xếp gọn gàng. Toàn bộ được lắp đặt vào thùng điều khiển với quạt tản nhiệt và các thiết bị đo lường để kiểm tra thông số.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Và Kết Quả Đạt Được

Đồ án thiết kế mô hình máy biến áp và tải RLC 3 pha không chỉ có giá trị học tập mà còn có ứng dụng thực tế trong thí nghiệm và đo lường. Mô hình này được sử dụng để kiểm tra các thông số kỹ thuật cơ bản trong các mạch điện xoay chiều 3 pha như: điện áp, dòng điện, công suất, hệ số công suất, và sự cân bằng tải.

Kết quả nhóm đạt được bao gồm: thiết kế và chế tạo thành công một máy biến áp 3 pha hoạt động ổn định, với tỉ biến áp phù hợp; tạo được ba mô hình tải R, L, C độc lập, có thể thay thế và kết hợp linh hoạt; xây dựng hệ thống bảo vệ điện an toàn với MCB, cầu chì, và quạt tản nhiệt. Mô hình được sử dụng hiệu quả trong các bài thí nghiệm thực tế tại phòng học.

4.1. Giá Trị Ứng Dụng Của Mô Hình Trong Giáo Dục

Mô hình máy biến áp 3 pha là công cụ giáo dục quý giá giúp học sinh hiểu rõ nguyên lý hoạt động của máy biến áp trong thực tế. Nhờ vào mô hình này, học sinh có thể tiến hành thí nghiệm trực tiếp, đo lường các thông số điện, và so sánh với các giá trị lý thuyết. Mô hình cũng giúp phát triển kỹ năng thực hành và giải quyết vấn đề kỹ thuật trong lĩnh vực điện công nghiệp, chuẩn bị tốt cho công việc sau này.

4.2. Những Hạn Chế Và Hướng Phát Triển Tương Lai

Mặc dù mô hình đạt được nhiều kết quả tốt, nhóm vẫn nhận ra một số hạn chế: chưa có hệ thống giám sát điện áp tự động bằng các cảm biến thông minh; chưa tích hợp ghi dữ liệu kỹ thuật số để phân tích chi tiết; khả năng điều chỉnh công suất tải còn hạn chế. Hướng phát triển tương lai bao gồm: lắp đặt các cảm biến thông minh, tích hợp hệ thống giám sát và điều khiển PLC, và phát triển phần mềm quản lý dữ liệu để mô hình trở nên hiện đại hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Máy biến áp Định nghĩa máy biến áp Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh, làm việc trên nguyên lý cảm ứng điện từ, biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp này thành 1 hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp khác với tần số không đổi. Những máy biến áp dùng trong hệ thống điện lực gọi là máy biến áp điện lực hay máy biến áp công suất. Như vậy máy biến áp làm nhiệm vụ truyền tải năng lượng.1: Kí hiệu máy biến áp Đầu vào của máy biến áp đối với nguồn điện được gọi là sơ cấp. Còn đầu ra nối với tải được gọi là thứ cấp.

Các đại lượng, thông số trong máy biến áp gồm có: - Điện áp sơ cấp U1, dòng điện sơ cấp I1, công suất sơ cấp P1 và số vòng dây sơ cấp W1. - Điện áp thứ cấp U2, dòng điện thứ cấp I2, công suất thứ cấp P2, số vòng dây thứ cấp W2. Nếu điện áp sơ cấp U1 lớn hơn điện áp thứ cấp U2 (U1>U2) thì ta gọi đó là máy biến áp hạ áp, còn ngược lại nếu U1<U2 thì ta gọi đó là máy biến áp tăng áp. Công dụng của máy biến áp Máy biến áp có vai trò rất quan trọng trong hệ thống điện, dùng để truyền tải và phân phối điện năng đến tải tiêu thụ.

Máy biến áp được dùng trong hệ thống truyền tải và phân phối điện năng, ngoài ra máy biến áp cũng được dùng cho một số yêu cầu khác như nối với mạch chỉnh lưu, làm nguồn điện cung cấp cho lò điện, máy hàn, máy thử nghiệm. Máy biến áp là phần tử quan trọng nhất trong hệ thống truyền tải và phân phối điện năng. Điện năng từ máy phát đến nơi tiêu thụ thường phải biến đổi về điện áp thành nhiều cấp, vì thế tổng công suất của các máy biến áp gấp 4 đến 5 lần tổng công suất đặt của máy phát điện. Do đó ta luôn thấy ở mỗi đầu nguồn phát luôn có trạm biến áp làm nhiệm vụ tăng áp và trước tải tiêu thụ luôn có trạm biến áp để làm nhiệm vụ hạ áp.

1 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÁY BIẾN ÁP VÀ TẢI RLC 3 PHA Hình 1.2: Truyền tải điện năng trong lưới điện Cấu tạo và nguyên lí làm việc của máy biến áp 1.1 Cấu tạo Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh, làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Máy biến áp cơ bản gồm có 3 bộ phận: - Lõi thép: Gồm nhiều lá thép kỹ thuật điện ghép với nhau thành mạch vòng khép kín, giữa các lá thép có sơn cách điện. Lõi thép dùng làm mạch dẫn từ, đồng thời làm khung để dây quấn. dùng để dẫn từ thông thường là loại thép dẫn từ tốt.

- Dây quấn: là bộ phận dẫn điện của máy biến áp, làm nhiệm vụ nhận năng lượng vào và truyền năng lượng ra. Kim loại làm dây quấn thường bằng đồng cũng có thể làm bằng nhôm nhưng không phổ biến. - Vỏ máy: dùng để bảo vệ các bộ phận bên trong của máy và đựng đầu máy biến áp. 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÁY BIẾN ÁP VÀ TẢI RLC 3 PHA a) Lõi thép b) Dây quấn c) Vỏ máy Hình 1.3: Cấu tạo máy biến áp 1.2 Nguyên lý làm việc của máy biến áp Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý máy biến áp Khi nối dây quấn sơ cấp vào nguồn điện xoay chiều có điện áp U1, dòng điện I1 chạy trong cuộn sơ cấp sẽ sinh ra trong lõi thép một từ thông xoay chiều.

Do mạch từ khép kín nên từ thông này móc vòng sang cuộn dây thứ cấp, sinh ra sức điện động xoay chiều E2. Đầu ra của cuộn thứ cấp có điện áp U2 gần bằng E2. 𝐸1 𝑈1 𝑁1 𝐼2 𝑘= = = = 𝐸2 𝑈2 𝑁2 𝐼1 Trong đó: k: tỉ số biến áp. E1: sức điện động sinh ra trong cuộn sơ cấp.

E2: sức điện động sinh ra trong cuộn thứ cấp. 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÁY BIẾN ÁP VÀ TẢI RLC 3 PHA U1: điện áp ở hai đầu cuộn sơ cấp. U2: điện áp ở hai đầu cuộn thứ cấp. I1: dòng điện chạy trong cuộn sơ cấp.

I2: dòng điện chạy trong cuộn thứ cấp. N1: số vòng dây cuộn sơ cấp. N2: số vòng dây cuộn thứ cấp. Các loại máy biến áp chính Theo công dụng, máy biến áp có thể gồm những loại chính sau: - Máy biến áp điện lực: dùng để dùng để truyền tải và phân phối công suất trong hệ thống điện lực.

- Máy biến áp chuyên dùng: dùng cho các lò luyện kim, cho các thiết bị chỉnh lưu, máy biến áp hàn điện. - Máy biến áp tự ngẫu: là máy biến áp biến đổi điện áp trong một phạm vi không lớn, dùng để mở máy các động cơ điện xoay chiều. - Máy biến áp đo lường: là máy biến áp dùng để giảm các điện áp và dòng điện lớn khi đưa vào các đồng hồ đo. - Máy biến áp thí nghiệm: là máy biến áp dùng để thí nghiệm các điện áp cao.

Tổ nối dây của máy biến áp Để máy biến áp ba pha làm việc được các dây quấn sơ cấp hoặc thứ cấp phải được nối với nhau theo một quy luật nhất định. Ngoài ra, sự phối hợp kiểu nối dây quấn sơ cấp với kiểu nối dây quấn thứ cấp cũng hình thành các tổ nối dây quấn khác nhau. Tổ nối dây của máy biến áp được hình thành do sự phối hợp kiểu đấu dây sơ cấp và dây thứ cấp. Nó biểu thị góc lệch pha giữa các sức điện động dây sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp.

Góc lệch pha này phụ thuộc vào các yếu tố sau: 4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÁY BIẾN ÁP VÀ TẢI RLC 3 PHA - Chiều quấn dây. - Cách ký hiệu đầu dây. - Kiểu đấu dây quấn sơ cấp và thứ cấp.5: Tổ đấu dây máy biến áp 3 pha Ký hiệu các đầu dây trong máy biến áp ba pha Hình 1.6: Cách ký hiệu các đầu dây trong máy biến áp Một cuộn dây luôn có 2 đầu: một đầu dây gọi là đầu đầu còn đầu còn lại gọi là đầu cuối Đối với máy biến áp 1 pha thì không cần quy định đầu của dây (đầu đầu và đầu cuối chọn tuỳ ý) còn đối với máy biến áp ba pha thì việc xác định đầu đầu và đầu cuối rất quan trọng theo một chiều nhất định (hình (a)) nếu không điện áp ra sẽ không đối xứng (hình (b)). Để đơn giản và thuận tiện cho việc nghiên cứu người ta thường đánh dấu các đầu tận cùng lên sơ đồ ký hiệu dây quấn của máy biến áp với quy ước sau: 5 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÁY BIẾN ÁP VÀ TẢI RLC 3 PHA Hình 1.7: Ký hiệu dây quấn trong máy biến áp ba pha Các kiểu đấu dây trong máy biến áp ba pha - Sơ đồ Y/Y: sơ cấp nối Y, thứ cấp nối Y 𝑈𝑑1 √3𝑈𝑝1 𝑈𝑝1 𝑘= = = 𝑈𝑑2 √3𝑈𝑝2 𝑈𝑝2 6 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÁY BIẾN ÁP VÀ TẢI RLC 3 PHA - Sơ đồ Y/∆: sơ cấp nối Y, thứ cấp nối ∆ 𝑈𝑑1 √3𝑈𝑝1 𝑘= = 𝑈𝑑2 𝑈𝑝2 - Sơ đồ ∆/Y: sơ cấp nối ∆, thứ cấp nối Y 𝑈𝑑1 𝑈𝑝1 𝑘= = 𝑈𝑑2 √3𝑈𝑝2 7 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÁY BIẾN ÁP VÀ TẢI RLC 3 PHA - Sơ đồ ∆/ ∆: sơ cấp nối ∆, thứ cấp nối ∆ 𝑈𝑑1 𝑈𝑝1 𝑘= = 𝑈𝑑2 𝑈𝑝2 1.2 Tải R-L-C Các linh kiện được sử dụng trong mô hình tải R-L-C gồm có: điện trở, cuộn cảm và tụ điện.

Trong phần này, nhóm sẽ trình bày sơ lược về cơ sở lý thuyết của các linh kiện này. Điện trở - Khái niệm về điện trở Có thể hiểu một cách đơn giản – Điện trở là đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất cản trở dòng điện của vật liệu. Giá trị điện trở càng lớn thì độ dẫn điện càng kém.8: Kí hiệu của điện trở Điện trở của dây dẫn: Điện trở của dây dẫn phụ thộc vào chất liệu, độ dài và tiết diện của dây, được tính theo công thức sau: ρ. L R= S 8 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÁY BIẾN ÁP VÀ TẢI RLC 3 PHA Trong đó: ρ: là điện trở suất phụ thuộc vào chất liệu.

L: là chiều dài dây dẫn đơn vị là m. S: là tiết diện dây dẫn (diện tích mặt cắt), đơn vị là m2. Tổn thất do điện trở: Khi dòng điện có cường độ I chạy qua một vật có điện trở R, điện năng được chuyển thành nhiệt năng. Lượng nhiệt năng bị thất thoát này có công suất sau: 2 U2 P = I .R = R Trong đó: P: là công suất, đơn vị là W.

I: là cường độ dòng diện, được đo bằng A. R: là điện trở, đơn vị là 𝛺. - Nguyên lí hoạt động của điện trở Đặc tính của một điện trở lý tưởng được biểu diễn bởi định luật Ohm như sau: Định luật Ohm nói rằng: cường độ dòng điện đi qua dây dẫn tỉ lệ thuận với hiệu điện thế đặt ở 2 đầu dây và tỉ lệ nghịch với điện trở của dây. U I= R Trong đó: U: là điện áp đặt ở 2 đầu dây dẫn, đơn vị là V.

I: là cường độ dòng điện đi qua dây dẫn, đơn vị là A. R: là điện trở của dây dẫn, đơn vị là Ω. 9 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÁY BIẾN ÁP VÀ TẢI RLC 3 PHA - Sơ đồ mắc điện trở  Điện trở mắc nối tiếp Hình 1.9: Sơ đồ điện trở mắc nối tiếp Điện trở tương đương của đoạn mạch bằng tổng hai điện trở thành phần: Rtd = R1 + R2 +.+ Rn Cường độ dòng điện có giá trị như nhau tại mọi điểm: I = I1 = I2 =. = In Hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch bằng tổng các hiệu điện thế trên mỗi điện trở: U = U1+U2+.+Un Hiệu điện thế giữa hai đầu mỗi điện trở tỷ lệ thuận với các điện trở: U U1 U2 Un Rtđ = R1 = R2 =.

=R n  Điện trở mắc song song Hình 1.10: Sơ đồ điện trở mắc song song Điện trở tương đương có công thức: 1 1 1 1 = + +.+ Rtđ R1 R2 Rn 10 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÁY BIẾN ÁP VÀ TẢI RLC 3 PHA Cường độ dòng điện chạy qua mạch chính bằng tổng cường độ dòng điện chạy qua các nhánh: I = I1+I2+.+In Hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch song song bằng hiệu điện thế giữa hai đầu mỗi đoạn nhánh: U = U1 = U2 =. = Un Cường độ dòng điện chạy qua mỗi điện trở tỉ lệ nghịch với điện trở đó: I.