Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hệ thống sản xuất và phân phối điện năng, máy biến áp điện lực giữ vai trò trung gian trong việc biến đổi các cấp điện áp để phục vụ truyền tải đi xa nhằm giảm tổn thất công suất, cũng như hạ áp phù hợp với các phụ tải tiêu thụ công nghiệp và dân dụng. Việc thiết kế máy điện là một khâu kỹ thuật nền tảng, đòi hỏi tính toán tối ưu hóa giữa các chỉ tiêu kỹ thuật điện từ, đặc tính cơ nhiệt và hiệu quả kinh tế chế tạo.

Đề tài "Thiết kế máy biến áp điện lực ba pha ngâm dầu" được thực hiện dưới dạng báo cáo Bài tập lớn/Đồ án môn học Thiết kế máy điện thuộc Bộ môn Kỹ thuật Điện, Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội. Người thực hiện là sinh viên Hà Văn Tiến (Mã sinh viên: 2021608873, Lớp 20222EE6110009, Khóa K16 – Liên thông Điện – điện tử), dưới sự hướng dẫn chuyên môn của ThS. Nguyễn Thị Minh Hiền. Đề tài được giao ngày 06/03/2023 và hoàn thành vào ngày 12/06/2023.

Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế cụ thể được giao theo phiếu nhiệm vụ bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan về cấu tạo, nguyên lý làm việc, phân loại, quy trình và hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế máy biến áp ngâm dầu ba pha.
  2. Thực hiện tính toán điện từ chi tiết cho máy biến áp ngâm dầu ba pha công suất 100 kVA, cấp điện áp 15/0,4 kV với các tham số định mức cho trước.
  3. Thiết kế hệ thống mạch từ (lõi sắt), hệ thống dây quấn hạ áp (HA) và cao áp (CA), tính toán ngắn mạch, kiểm tra lực cơ học tác động lên dây quấn khi xảy ra ngắn mạch.
  4. Tính toán nhiệt, thiết kế kết cấu thùng dầu cánh sóng và hệ thống làm mát bằng dầu tự nhiên.
  5. Lập bản vẽ kỹ thuật tổng lắp ráp máy biến áp trên khổ giấy A3 theo các quy định hiện hành.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào đối tượng máy biến áp ngâm dầu 3 pha truyền thống, dung lượng 100 kVA thuộc nhóm máy biến áp phân phối cỡ nhỏ (Cỡ I: từ 5 đến 100 kVA, điện áp đến 35 kV).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Khung lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng

Đề tài dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ của thiết bị điện từ tĩnh dùng để biến đổi hệ thống điện áp xoay chiều với tần số không đổi ($f = 50\text{ Hz}$). Quá trình tính toán, thiết kế tuân thủ hệ thống tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế gồm:

  • TCVN 6036-1:2015 / TCVN 6306-1:2015: Quy định điều kiện làm việc của máy biến áp (độ cao không quá 1000 m so với mực nước biển, nhiệt độ không khí môi trường từ -25 °C đến +40 °C; nhiệt độ nước làm nguội không quá 25 °C nếu làm mát bằng nước; dãy công suất định mức R10 theo tiêu chuẩn ISO 3:1973).
  • TCVN 6036-2:2006: Tiêu chuẩn quy định cho máy biến áp ngâm dầu.
  • TCVN 1011-2015, TCVN 3079-2015, TCVN 2608-2015: Các tiêu chuẩn phục vụ tính toán, kiểm tra tham số kỹ thuật máy biến áp.
  • TCVN 8:2015: Quy định kỹ thuật về trình bày bản vẽ kỹ thuật.
  • IEC 60050-421:1990: Quy định cách đấu nối cuộn dây và tổ đấu dây ba pha.
  • Quyết định số 815/QĐ-ĐHCN ngày 15/08/2019 của Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội: Quy định biểu mẫu BM03 về quy cách trình bày báo cáo tiểu luận/bài tập lớn/đồ án.

Phương pháp nghiên cứu và tính toán

Nghiên cứu sử dụng phương pháp tính toán giải tích thiết kế máy điện truyền thống kết hợp tra cứu bảng biểu số liệu thực nghiệm:

  • Phương pháp biến đổi mạch từ và mạch điện tương đương để xác định kích thước hình học chính ($d, l, C$) thông qua việc lựa chọn tỷ số hình học tối ưu $\beta = \frac{\pi d_{12}}{l}$.
  • Phương pháp giải tích trường nhiệt và truyền nhiệt đối lưu - bức xạ để tính toán nhiệt độ chênh lệch của các phần tử tác dụng (dây quấn, dầu, vỏ thùng) so với môi trường không khí.
  • Dữ liệu tính toán sử dụng thông số vật liệu tiêu chuẩn công nghiệp: lá thép kỹ thuật điện cán lạnh định hướng từ tính của Nga (các mác tôn 3404, 3405, 3406, 3407, 3408) và dây dẫn điện từ bằng đồng có bọc cách điện (dây chữ nhật PB, dây tròn).
  • Hỗ trợ công cụ: Sử dụng bảng tính Microsoft Excel trong quá trình xử lý công thức toán học và phần mềm AutoCAD trong việc lập bản vẽ tổng thể kết cấu.

Thiết kế và triển khai kỹ thuật

Thông số thiết kế ban đầu

Theo đề tài được giao, các thông số kỹ thuật đầu vào phục vụ tính toán bao gồm:

Thông số kỹ thuật Giá trị quy định Đơn vị
Dung lượng định mức ($S$) 100 kVA
Cấp điện áp định mức ($U_{CA} / U_{HA}$) 15 / 0,4 kV
Tổn hao không tải định mức ($P_0$) 320 W
Tổn hao ngắn mạch định mức ($P_n$) 1680 W
Dòng điện không tải ($i_0%$) 2,0 %
Điện áp ngắn mạch ($u_n%$) 4,0 %
Phạm vi điều chỉnh điện áp cao áp $\pm 2 \times 2,5%$ -
Tổ đấu dây Y/yn - 12 -
Kích thước bao (Dài $\times$ Rộng $\times$ Cao) $1300 \times 930 \times 1290$ mm
Khoảng cách tâm bánh xe 550 mm
Khối lượng dầu cách điện 215 kg
Khối lượng toàn bộ máy 655 kg

Quy trình thiết kế kỹ thuật

Quá trình thiết kế máy biến áp được tiến hành qua 3 giai đoạn chính:

  1. Xác định nhiệm vụ kỹ thuật: Phân tích yêu cầu, phạm vi làm việc, dạng kết cấu ba pha ngâm dầu và phương thức làm mát tự nhiên bằng dầu (ONAN).
  2. Tính toán điện từ:
    • Tính toán các đại lượng điện cơ bản (dòng điện, điện áp pha/dây, điện áp thử nghiệm, thành phần tác dụng và phản kháng của điện áp ngắn mạch).
    • Xác định kích thước chủ yếu của mạch từ: chọn tỷ số $\beta = 2,1$, tính đường kính trụ sắt $d$, chiều cao dây quấn $l$, khoảng cách giữa các trục trụ $C$.
    • Thiết kế cuộn dây hạ áp (HA) và cuộn dây cao áp (CA), bố trí rãnh dầu làm mát và cách điện chính giữa các cuộn dây.
    • Tính toán thông số ngắn mạch, tổn hao đồng, tổn hao phụ, tổn hao dây dẫn ra và vách thùng, kiểm nghiệm lực điện động hướng kính và dọc trục khi ngắn mạch.
    • Tính toán hệ thống mạch từ, tính toán tổn hao không tải và dòng điện không tải thực tế.
    • Tính toán phát nhiệt cho các cuộn dây, lớp dầu và vách thùng cánh sóng.
  3. Thiết kế kết cấu và lập bản vẽ thi công: Tính toán kích thước thùng dầu cánh sóng, các khoảng cách cách điện ra sứ cao áp/hạ áp, nắp thùng, ống bảo hiểm, rơle hơi, bình dầu phụ và lập bản vẽ tổng lắp ráp A3.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Phần mở đầu

Chương này tổng kết cơ sở lý luận và tổng quan công nghệ chế tạo máy biến áp:

  • Khái niệm và cấu tạo: Máy biến áp điện lực ngâm dầu ba pha gồm 3 bộ phận chính: vỏ máy (thùng dầu, nắp thùng, sứ cách điện CA/HA, bình dầu phụ có ống thủy tinh chỉ mức dầu, ống bảo hiểm có đĩa thủy tinh xả áp, lỗ đặt nhiệt kế, rơle hơi), lõi thép dẫn từ (ghép từ các lá thép kỹ thuật điện dày 0,3 - 0,5 mm gồm phần trụ và gông), và hệ thống dây quấn (sơ cấp, thứ cấp quấn bằng dây đồng hoặc nhôm lồng trên trụ thép có cách điện xen kẽ).
  • Tình hình chế tạo và vật liệu mới: Trình bày xu hướng chuyển đổi từ thép cán nóng sang thép lá kỹ thuật điện cán lạnh (giảm tổn hao từ trễ và dòng xoáy), phương pháp cắt ghép góc nghiêng, đai ép gông thay bulông xuyên lõi. Đánh giá việc thay thế vật liệu đồng bằng nhôm trong các máy công suất nhỏ để hạ giá thành, dù dây nhôm đòi hỏi tăng tiết diện và thể tích cách điện do điện trở suất lớn hơn.
  • Quy trình và tiêu chuẩn thiết kế: Hệ thống hóa các bước tính toán điện từ từ việc xác định đại lượng điện, chọn vật liệu dẫn từ (tôn silic mác 3404 - 3408), chọn kích thước $\beta$, thiết kế dây quấn, tính ngắn mạch đến tính nhiệt theo TCVN 6306-1:2015 và IEC 60050-421:1990.

Chương 2: Thiết kế MBA điện lực 3 pha ngâm dầu công suất 100 (kVA)

Chương 2 là nội dung cốt lõi của đồ án, trình bày toàn bộ quá trình tính toán định lượng cho máy 100 kVA:

  1. Tính toán tham số điện cơ bản:

    • Công suất mỗi pha / mỗi trụ: $S_f = S' = \frac{100}{3} = 33,3\text{ kVA}$.
    • Dòng điện định mức: Phía CA ($U_1 = 15\text{ kV}$): $I_1 = 3,85\text{ A}$; Phía HA ($U_2 = 0,4\text{ kV}$): $I_2 = 144,34\text{ A}$.
    • Điện áp pha định mức: Phía CA nối Y: $U_{1f} = \frac{15000}{\sqrt{3}} = 8660,2\text{ V}$; Phía HA nối Y: $U_{2f} = \frac{400}{\sqrt{3}} = 230\text{ V}$.
    • Thành phần điện áp ngắn mạch: $U_{nr}% = 1,68%$; $U_{nx}% = \sqrt{4^2 - 1,68^2} = 3,63%$.
    • Điện áp thử nghiệm cách điện: $U_{t1} = 45\text{ kV}$ (CA), $U_{t2} = 5\text{ kV}$ (HA).

  2. Xác định kích thước chủ yếu và mạch từ:

    • Khoảng cách cách điện chính: Giữa trụ và dây quấn HA $a_{01} = 15\text{ mm}$; giữa HA và CA $a_{12} = 20\text{ mm}$; ống cách điện $\delta_{12} = 4\text{ mm}$; giữa các cuộn CA $a_{22} = 18\text{ mm}$; khoảng cách từ đầu cuộn dây tới gông $l_0 = 50\text{ mm}$.
    • Bảng khảo sát hệ số hình học $\beta$ từ 1,2 đến 3,6:
Tham số $\beta = 1,2$ $\beta = 1,8$ $\beta = 2,4$ $\beta = 3,0$ $\beta = 3,6$
$x = \sqrt[4]{\beta}$ 1,048 1,160 1,245 1,320 1,380
$x^2 = \sqrt{\beta}$ 1,096 1,344 1,550 1,734 1,900
$x^3 = \sqrt[4]{\beta^3}$ 1,148 1,560 1,930 2,290 2,620
Chiều cao dây quấn $l$ (cm) 58,62 43,26 34,82 29,54 25,73

Dựa trên chỉ tiêu kinh tế, tác giả chọn $\beta = 2,1$.

  • Các kích thước mạch từ thu được: Đường kính trụ sắt sơ bộ $d = 18,38\text{ cm}$ (chọn $d = 19\text{ cm}$); đường kính trung bình rãnh dầu $d_{12} = 27\text{ cm}$; chiều cao dây quấn $l = 41\text{ cm}$; chiều cao trụ lõi sắt $l_1 = 42\text{ cm}$; khoảng cách giữa các trụ $C = 33,27\text{ cm}$; diện tích tiết diện thuần sắt của trụ $S_T = 233,42\text{ cm}^2$; điện áp một vòng dây $U_v = 8,2\text{ V}$.

  1. Thiết kế dây quấn:

    • Cuộn hạ áp (HA): Số vòng dây $w_1 = 28$ vòng. Mật độ dòng điện định mức $J_1 = 0,82\text{ A/mm}^2$. Kiểu dây quấn: ống đơn dây dẫn chữ nhật $PB \times 4 \times (5,6 \times 8 / 6 \times 12,2)$ với tiết diện vòng dây $S_1 = 175,6\text{ mm}^2$. Đường kính trong $D'_1 = 22\text{ cm}$, đường kính ngoài $D''1 = 25,24\text{ cm}$, bề dày cuộn dây $a_1 = 1,62\text{ cm}$. Khối lượng đồng cuộn HA: $G{dq1} = 32,83\text{ kg}$ (kể cả cách điện là $33,49\text{ kg}$).
    • Cuộn cao áp (CA): Số vòng dây định mức $W_{2đm} = 1054$ vòng; số vòng dây mỗi cấp điều chỉnh $W_{dc} = 27$ vòng ($\pm 2 \times 2,5%$, tương ứng các nấc 15750 V: 1108 vòng; 15375 V: 1081 vòng; 15000 V: 1054 vòng; 14625 V: 1027 vòng; 14250 V: 1000 vòng). Sử dụng kiểu dây quấn xoắn liên tục dây tròn bọc giấy $PB \times 1 \times (1,5 \times 5 / 2 \times 5,5)$, tiết diện $S_2 = 7,29\text{ mm}^2$, mật độ dòng $J_2 = 0,52\text{ A/mm}^2$. Số bánh dây mỗi trụ $n_{b2} = 44,6$, số vòng/bánh $w_{b2} = 25$ vòng, chiều cao thực $l_2 = 41,3\text{ cm}$, bề dày cuộn dây $a_2 = 5\text{ cm}$. Đường kính trong $D'_2 = 29,24\text{ cm}$, đường kính ngoài $D''2 = 39,24\text{ cm}$. Khoảng cách giữa hai trụ $C = 41,04\text{ cm}$. Khối lượng đồng cuộn CA: $G{dq2} = 221\text{ kg}$ (kể cả cách điện là $225,42\text{ kg}$).

  2. Tính toán ngắn mạch và lực cơ học:

    • Tổn hao ngắn mạch: Tổn hao chính cuộn HA $P_{cu1} = 52,98\text{ W}$; tổn hao chính cuộn CA $P_{cu2} = 171\text{ W}$; tổn hao trong dây dẫn ra $P_{dd1} = 7,74\text{ W}$, $P_{dd2} = 0,13\text{ W}$; tổn hao trong vách thùng và chi tiết kim loại $P_t = 15\text{ kW}$. Tổng tổn hao ngắn mạch $P_n = 15207,97\text{ W}$.
    • Điện áp ngắn mạch tính toán: $U_n = 14,56%$.
    • Dòng điện ngắn mạch xác lập và cực đại: $I_{n1} = 26,44\text{ A}$; dòng xung kích cực đại $i_{max} = 2799,4\text{ A}$. Xác định biểu thức tính lực cơ học hướng kính $F_r$ và lực dọc trục $F'_t$ tác động lên dây quấn khi ngắn mạch.

  3. Tính toán nhiệt và kết cấu vỏ thùng cánh sóng:

    • Thiết kế kết cấu thùng dầu bằng thép có vách dạng cánh sóng giúp tăng cường diện tích tản nhiệt đối lưu ($M_{đl}$) và bức xạ ($M_{bx}$).
    • Xác định kích thước tối thiểu của thùng: Chiều rộng $B$, chiều dài $A$, chiều cao $H_1 = l_t + 2h_g + n$.
    • Tính toán bước cánh sóng $t$, số lượng cánh sóng $m$, hệ số suy giảm đối lưu vách sóng $k_s$.
    • Kiểm tra độ chênh lệch nhiệt độ của dây quấn so với dầu, nhiệt độ lớp dầu trên so với không khí ($\theta_{dk} = 1,2 \cdot \theta'{dk}$) và nhiệt độ chênh của dây quấn so với không khí ($\theta{0k2}$).

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

Chương này tổng kết lại toàn bộ khối lượng tính toán đã hoàn thành, khẳng định các kích thước và chỉ tiêu điện từ cơ bản của máy biến áp 100 kVA đã được xác định đầy đủ, đồng thời đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo về việc tối ưu hóa kết cấu và ứng dụng công nghệ vật liệu mới trong chế tạo máy điện.

Kết quả và thông số kỹ thuật

Bản tổng hợp các kết quả tính toán kỹ thuật chính của máy biến áp điện lực 3 pha 100 kVA thu được trong đồ án:

Thông số thiết kế Kết quả tính toán Đơn vị
Hệ số hình học tối ưu ($\beta$) 2,1 -
Đường kính trụ sắt ($d$) 19,0 cm
Chiều cao dây quấn ($l$) 41,0 cm
Tiết diện thuần sắt của trụ ($S_T$) 233,42 $\text{cm}^2$
Điện áp một vòng dây ($U_v$) 8,2 V
Số vòng dây cuộn hạ áp ($w_1$) 28 vòng
Số vòng dây cuộn cao áp định mức ($W_{2đm}$) 1054 vòng
Số vòng dây các nấc điều chỉnh CA 1108 - 1081 - 1054 - 1027 - 1000 vòng
Mật độ dòng điện dây quấn HA ($J_1$) 0,82 $\text{A/mm}^2$
Mật độ dòng điện dây quấn CA ($J_2$) 0,52 $\text{A/mm}^2$
Khối lượng đồng dây quấn HA ($G_{dq1}$) 32,83 kg
Khối lượng đồng dây quấn CA ($G_{dq2}$) 221,0 kg
Dòng ngắn mạch cực đại xung kích ($i_{max}$) 2799,4 A
Số lượng bản vẽ kỹ thuật hoàn thành 01 bản vẽ tổng lắp ráp Khổ A3

Tác giả đã hoàn thiện đầy đủ các bước tính toán từ lý thuyết mạch từ, dây quấn, kiểm nghiệm ngắn mạch đến kết cấu cơ nhiệt của máy biến áp ngâm dầu 100 kVA theo đúng biểu mẫu BM03 và các tiêu chuẩn TCVN.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung tài liệu, một số hạn chế và hướng phát triển được ghi nhận:

  • Hạn chế: Báo cáo tập trung vào phần tính toán thiết kế giải tích và thiết kế nguyên lý tổng thể; phần thiết kế thi công chi tiết toàn bộ các phụ kiện gá lắp cơ khí và tính toán tối ưu hóa chi phí giá thành sản phẩm chưa được triển khai sâu trong phạm vi bài tập lớn. Một số kết quả tính toán tổn hao ngắn mạch trong vách thùng và điện áp ngắn mạch có sự chênh lệch so với chỉ tiêu ban đầu do sử dụng các hệ số tra bảng gần đúng.
  • Hướng phát triển: Ứng dụng các thuật toán tối ưu hóa đa mục tiêu (tối thiểu hóa khối lượng vật liệu tác dụng và tổn hao công suất) trên máy tính; nghiên cứu ứng dụng các loại vật liệu dẫn từ thế hệ mới (thép hợp kim vô định hình - amorphous) và vật liệu cách điện tiên tiến nhằm nâng cao hiệu suất làm việc của máy biến áp.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là tài liệu tham khảo trực tiếp cho:

  • Sinh viên các ngành Kỹ thuật Điện, Hệ thống điện, Thiết bị điện – Điện tử khi thực hiện đồ án môn học Thiết kế máy điện hoặc Khóa luận tốt nghiệp về thiết kế máy biến áp phân phối.
  • Cán bộ kỹ thuật, kỹ sư thiết kế tại các cơ sở sản xuất và sửa chữa máy biến áp điện lực cần tham khảo trình tự tính toán giải tích mạch từ, cuộn dây đồng tâm và thùng dầu cánh sóng.
  • Phần đáng tham khảo nhất là chuỗi công thức tính toán lựa chọn hệ số hình học $\beta$, phương pháp tính toán dây quấn hạ áp/cao áp có điều chỉnh điện áp nhiều nấc và quy trình tính toán nhiệt thùng dầu cánh sóng ở Chương 2.

Câu hỏi thường gặp

1. Đề tài thiết kế loại máy biến áp nào với các thông số công suất và điện áp định mức bao nhiêu? Đề tài thực hiện thiết kế máy biến áp điện lực ba pha ngâm dầu (làm mát tự nhiên bằng dầu), công suất định mức 100 kVA, cấp điện áp 15/0,4 kV, tổ đấu dây Y/yn-12, tần số 50 Hz.

2. Cuộn dây cao áp (CA) của máy biến áp được thiết kế với các cấp điều chỉnh điện áp như thế nào? Cuộn dây CA có số vòng định mức là 1054 vòng, được thiết kế điều chỉnh điện áp 4 cấp ($\pm 2 \times 2,5%$) tương ứng mỗi cấp thay đổi 27 vòng ($W_{dc} = 27$ vòng):

  • Nấc +5% (15750 V): 1108 vòng.
  • Nấc +2,5% (15375 V): 1081 vòng.
  • Nấc định mức 0% (15000 V): 1054 vòng.
  • Nấc -2,5% (14625 V): 1027 vòng.
  • Nấc -5% (14250 V): 1000 vòng.

3. Quy cách dây dẫn và kiểu quấn dây được lựa chọn cho cuộn hạ áp (HA) và cao áp (CA) là gì?

  • Cuộn HA: Sử dụng kiểu dây quấn ống đơn, dây dẫn đồng chữ nhật bọc giấy ký hiệu $PB \times 4 \times (5,6 \times 8 / 6 \times 12,2)$ ghép 4 sợi song song, tổng tiết diện vòng dây $175,6\text{ mm}^2$, gồm 28 vòng.
  • Cuộn CA: Sử dụng kiểu dây quấn xoắn liên tục phân chia thành các bánh dây, dây dẫn đồng tròn bọc giấy ký hiệu $PB \times 1 \times (1,5 \times 5 / 2 \times 5,5)$, tiết diện $7,29\text{ mm}^2$.

4. Kích thước hình học cơ bản của lõi sắt máy biến áp được xác định bằng bao nhiêu? Dựa trên hệ số $\beta = 2,1$, lõi sắt được xác định có đường kính trụ sắt $d = 19\text{ cm}$, đường kính trung bình rãnh dầu $d_{12} = 27\text{ cm}$, chiều cao dây quấn $l = 41\text{ cm}$, chiều cao trụ sắt $l_1 = 42\text{ cm}$, khoảng cách giữa các trục trụ sắt $C = 33,27\text{ cm}$, tiết diện thuần sắt của trụ $S_T = 233,42\text{ cm}^2$.

Kết luận

Báo cáo bài tập lớn của sinh viên Hà Văn Tiến đã thực hiện hoàn chỉnh quy trình thiết kế kỹ thuật cho máy biến áp điện lực ba pha ngâm dầu công suất 100 kVA, cấp điện áp 15/0,4 kV theo tiêu chuẩn TCVN và IEC. Các nội dung tính toán bao quát từ thông số điện từ, kích thước mạch từ, kết cấu dây quấn hai phía cao - hạ áp đến kiểm nghiệm ngắn mạch và tính toán nhiệt thùng dầu cánh sóng. Công trình cung cấp hệ thống số liệu thiết kế chi tiết, phục vụ hiệu quả cho việc học tập, nghiên cứu và thực hành thiết kế máy điện trong ngành kỹ thuật điện.