Bài giảng Kỹ thuật điện: Chương 7 - Phạm Hùng Phi

Bài giảng Kỹ thuật điện: Chương 7 Máy biến áp, cung cấp cho người học những kiến thức như: Nguyên lý làm việc của máy biến áp 1 pha; cấu tạo của máy biến áp; mô hình toán học của máy biến áp; quy đổi và sơ đồ thay thế; chế độ không tải và ngắn mạch máy biến áp; chế độ làm việc có tải. Mời các bạn cùng tham khảo!

CHƯƠNG VII Máy biến áp

7.1 Khái niệm chung

7.2 Nguyên lý làm việc của MBA 1 pha

7.3 Cấu tạo

7.4 Mô hình toán học của MBA

7.5 Quy đổi và sơ đồ thay thế

7.6 Chế độ không tải và ngắn mạch MBA

7.7 Chế độ làm việc có tải

7.8 MBA 3 pha

7.1 Khái niệm chung về máy biến áp

ỏp

Mỏy giảm ỏp

Cùng một công suất truyền tải:

- Giảm sụt áp ∆Ud

- Giảm tổn hao ∆Pd

- Giảm tiết diện dây s

Máy biến áp tăng

giảm

=> giảm khối lượng xà, cột

=> giảm chi phí đầu tư

* Cỏc đại lượng định mức (danh định)

1 Cụng suất :

2 Điện ỏp :

3 Dòng điện : I 1đm , I2đm (A, kA)

Ký hiệu :U1đm/U2đm (VD: 6/0,22 kV)

(VA, kVA)

m 2 m 2 m

Sđ = U đ I đ

Chú ý: Các đại lượng U đ m , I đ m trong

MBA 3 pha là các đại lượng dây

4 Thụng số khỏc :

+ Po: Tổn hao cụng suất khụng tải +Pn:Tổn hao cụng suất ngắn mạch

U1n 1n

n

1 m

U

u % 100 3 10

U

đ o o

1 m

I

I

đ

m m

U I

I1đm

I2đm

2đm

U1đm

U2đm (V, kV)

7.2 Nguyªn lý lµm viÖc cña MBA 1 pha

u1~

φ biÕn thiªn e1 vµ e2

Gi¶ sö φ = φm sinωt

d

dt

φ

= −

d

dt

φ

= −

W1,W2 : sè vßng d©y s¬ vµ thø cÊp

e = − φ ω W cos t ω

e = π φ2 fW

TQ: e1 = 2E sin( t1 ω + ψe)

E1 = 4,44fW1 φm

ψe = - 90O

1

E = 2 fW1 m

2

φ

φ mãc vßng

qua 2 d©y quÊn

φ r

1

E ur

Zt

u1~

i1

sin( t 90 ) ω − o

W1 W2

e1 e2

Tương tù:

vµ tiªu thô trªn t¶i

E2 = 4,44fW2 φm

U1≈ E1 ; U2 ≈ E2 1

2

U

k < 1

Trong dây quấn cã dòng i2

Zt

φφφφ

Khi nèi d©y quÊn thø cÊp víi t¶i

i2

Năng lượng ®iÖn xoay chiÒu

lÊy vµo tõ phÝa s¬ cÊp

th«ng qua m¹ch tõ

chuyÓn sang phÝa thø cÊp

NÕu bá qua tæn hao trªn d©y quÊn

1

2

E

E = 1

2

W

k

W =

m¸y t¨ng ¸p k > 1 m¸y h¹ ¸p

i1

u2

u1~

W1 W2

e1 e2

7.3 CÊu t¹o

1 Lâi thÐp: M¹ch tõ, ghÐp tõ

c¸c l¸ thÐp kü thuËt ®iÖn, gåm 2

bé phËn

- G«ng: lµ phÇn nèi liÒn

m¹ch tõ c¸c trô

- Trô: lµ phÇn lâi thÐp cã

lång d©y quÊn

2 D©y quÊn: M¹ch ®iÖn

3 Vá m¸y

- Thïng BA

- N¾p m¸y

SC

TC

7.4 C¸c phương tr×nh c¬ b¶n trong

MBA (m« h×nh to¸n häc)

a PhÝa s¬ cÊp

1 Phương tr×nh c©n b»ng ®iÖn

- ΦC : mãc vßng qua 2 d/q

- Φt1 : do i1 sinh ra chØ mãc

vßng riªng víi d/q s¬ cÊp

Φt1 C

d

dt

φ

= −

t1 t1 1

d

dt

φ

= −

e1 vµ et1

et1

e1

u1 i1

R1

i2

φC

Zt

u2

i1

u1~ W1 W2

e1 e2

b Phía thứ cấp :

Phương trình cân bằng điện áp - Sơ đồ

thay thế dạng phức:

Tương tự :

1 1

1 1 1

• •

= − +

t1 1 1

d di

di dt

ψ

= −

Lt1

1 t1 t1

di

dt

1 1 t1 1 1

di

dt

E1

U1 I1

X1

R1

U E I (R jX ) E I Z

t1 t1 1

d

dt

φ

dt

ψ

1 1

R I

•

+ 1

1

= − + j L It1 1

•

ω

X1

e1

u1 i1

Lt1

R1

I2

X2

E2

U2

R2

2 Phương trình cân bằng từ

không tải : i2 = 0

có tải : i2 ≠ 0

• • •

=> + =

2

1 2

I

W W

k

'

• • •

=> = +

PT cân bằng từ

E1

U1

X1

R1

∆ U1 Khi bỏ qua ∆U1:

Φ do Fo= W1 Io

Φ do F1 và F2

i2

φC

Zt

u2

i1

u1~ W1 W2

e1 e2

- I2’

'

2 2

I I

k

•

•

= −

U1 ≈ E1 = 4,44fW1Φm

= const

m

Φ

U1 = const

7.5 Qui đổi và sơ đồ thay thế

1 Mục đích và điều kiện:

2 Qui đổi :

- Thuận tiện cho việc nghiên cứu

E2’ = E1

Biến đổi E2 E2’ = E1 Với 1

2

E

k

E = E2’ = kE2

b Qui đổi dòng điện

2 2

'

'

I I

E E

Tăng s.đ.đ hay điện áp bao nhiêu phải giảm dòng bấy nhiêu

Tương tự: U2’ = kU2

- Bảo toàn quá trình năng lượng

k

=

a Qui đổi sđđ

Thường quy đổi dõy quấn thứ cấp về sơ cấp

E1

U1 I1

X1

R1

I2

X2

E2

U2

R2

I2’

X2’

U2’

E2‘

U1

I1

X1

R1

E1=

R2’

c Qui đổi tổng trở

Từ PTCB đ/a phía thứ cấp:

nhân 2 vế với k và I2 = kI2’

Z t ’ = k 2 Z t

'

k U k E ( k R jk X ) I

PT sau khi qui đổi:

Zt’

Chú ý : Các thông số dây quấn thứ cấp được qui đổi về

dây quấn sơ cấp đều có dấu phẩy

Io

X2’

R2’

U2’ E2’

Sơ đồ thay thế sau quy đổi:

'

= +

X2’

U1

X1

R1

E1

R2’

Sơ đồ thay thế của MBA

1 th o

E Z I

sơ cấp thứ cấp

Lõi thép

Io ≈ (2 ữ 6)%I1đm

Có thể sử dụng sơ đồ

thay thế gần đúng :

U2’

U1 I1

R2’ X2’ I2’

X1

R1

Zt’

Thay

th th th

Z = (R + jX )

A

B

th

R2’ X2’ I2’

U2’

U1

X1

R1

Xth Zt’

Io

tải

Zt’

A B

U

•

=

7.6 Chế độ không tải và ngắn mạch của MBA

1 Chế độ không tải

a Sơ đồ nguyên lý

Io

Xth

U1đm

Io

X1

R1

Rth

c Tổng trở Zo

Zo = ( R1+ Rth )+ j(X1 + Xth)

Zo = Ro+ jXo

Vì : R1 << Rth

X1 << Xth coi Ro ≈ Rth ; Xo ≈ Xth

d Công suất không tải Po : Po = Ro Io2

e Hệ số công suất cosϕo : o o

o

o 1 m o

cos

Z đ ≈ 0.1 ữ 0,2

Không nên để MBA làm việc không tải hoặc quá non tải

≈ Rth Io2 = ∆Pst

th

R2’ X2’ I2’

U2’

U1

X1

R1

Xth Zt’

Io

2 Chế độ ngắn mạch

a Ngắn mạch thớ nghiệm

Sơ đồ thay thế

I1n

X2’

U1n

X1

Tổng trở Z n

Zn = ( R1+ R2’)+ j(X1 + X2’)

Zn = Rn+ jXn

Trong MBA : R1 ≈ R2’

X1 ≈ X2’ Rn≈ 2R1; Xn≈ 2X1

u1n

I2n

I1n

th

R2’ X2’ I2’

U2’

U1

X1

R1

Xth Zt’

Io

b Ngắn mạch sự cố MBA

1 m

1n

n

U

Z

1 m 1 m

n 1 m

đ

Z

1 m

n 1 m

1 m

U

đ

đ

Z

un%

1 m 1n

n

I

%

=> = đ

u

un%≈ (3 ữ 10) => I1n ≈ (10ữ33) I1đm

Thiết bị bảo vệ (Circuit Breaker) cắt MBA khỏi lưới điện khi có

sự cố

Sự cố nguy hiểm: cháy, nổ

U1 = U1đm

3 Xác định các tham số của MBA bằng thí nghiệm

a Thí nghiệm không tải

Sơ đồ:

V2

* W*

V1

A

U10

Đo :

A

I0 ở

U10 ở V1

W

P0 ở

U20 ở V2

Xác định các tham số :

0

0

P R

I

=

10 0

0

U I

=

Z

X = Z − R

Rth ≈ R0 ; Xth ≈ X0

10

20

U k U

=

A1

I1đm ở

b Thí nghiệm ngắn mạch:

Sơ đồ:

Đo :

U1n ở V

W

Pn ở

I2đm ở A2

Xác định các tham số :

n

1 m

P R

I

=

đ

1n n

1 m

U I

=

Z

đ

X = Z − R

* W* V

A1

Bộ

điều chỉnh U

' n

1 2

R

2

1 2

X

2

định mức

Các thành phần của điện áp ngắn mạch :

n 1 m nr

1 m

R I

U

đ

n 1 m nx

1 m

X I

U

đ

7.7 Chế độ làm việc có tải

1 Độ biến thiên điện áp thứ cấp và đặc tính ngoài của MBA

a Độ biến thiên điện áp thứ cấp

m 2 m

U

−

2đ

(1) nhân tử và mẫu với k

'

m 2 m

U

−

1đ

(2)

U1đm I1 U2’

Xn

Rn

Zt’

'

U đ = U + R I + jX I

I1đm

U1n

Xn

Rn

' 2

U ur

1 n

jX I

r

1

I

r ϕ2

1 n

R I

r

m

U

ur 1đ

θ

Chọn '

2

U

ur

làm gốc giả sử tải mang t/c điện cảm

thực tế góc θ rất nhỏ

'

U trựng phaU

đ

U1đm - U2’ = AB = AC CB+ = RnI1cosϕ2 + XnI1sinϕ2

n 1 2 n 1 2

m

R I cos X I sin

U

1đ

1

I

unx%

unr%

β > 1 quá tải

β = 1 tải định mức

'

U đ = U + R I + jX I có đồ thị véc tơ :

hệ số tải

∆U%= β(unr%cosϕ2+unx%sinϕ2)

∆U% phụ thuộc 3 yếu tố: ∆ U%

β R R-L

R- C

- Độ lớn của tải

- Tính chất của tải

- Thông số MBA

∆U% = f(β, ϕ2)

- tải R ϕ2 = 0

- tải R-L 0 < ϕ2 < 90o

- tải R- C - 90o < ϕ2 < 0

unr%

unx%

un%

R

X ZZZZ

ϕn

∆U% = βun%(cosϕn cosϕ2 + sinϕnsinϕ2)

∆U%= βun%cos(ϕn- ϕ2 )

(β) (ϕ2) (unr%, unx%)

∆U% = βunr%

∆U%R-L> ∆U%R

>90 o

=90o < 90o

Nói chung

∆U%R-C < 0 (Rn và xn)

b- Đặc tính ngoài U2 = f(I2)

U%

100

∆

U2

I2

R R-L

R-C

Giữ U2 không đổi:

m 2 m

U

−

2đ

Thay đổi vũng dõy phớa cao ỏp?

U2đm

f(β,cosϕ2)

U2 = f( β,cosϕ2)

∆ U%

β R

- Tải R:

thay đổi W1 hoặc W2

- Tải R - L:

- Tải R - C:

2 Quá trình năng lượng và hiệu suất của MBA

2 1

P P

η = hiệu suất

2 2

P

η =

Các loại tổn hao:

+ Tổn hao đồng ∆Pđ = R1I12 + R2’I2’ 2 = RnI12 1 2 2

n 1 m

1 m

I ( ) R I I

đ

∆Pđ = β2Pn + Tổn hao sắt: ∆Pst = RthI02 ≈ R0I02 ∆Pst = P0

ηηηη

β

+ P2 = U2I2cosϕ2

2

2 m 2 m 2

2 m

I

U I cos

I

đ

Sđm β

P2 = βSđm cosϕ2

2

S cos

η =

đ

đ

βk

ηmax

0 k

n

P P

β =

∆ Pđ1 ∆ Pst ∆ Pđ2 Giản đồ năng lượng

cosϕ22 cosϕ21

∆Pđ = β2Pn

∆Pst = P0

2 2

P

η =

7.8 M¸y biÕn ¸p 3 pha

1- CÊu t¹o vµ nguyªn lý

Các đại lượng định mức:

- Công suất định mức Sđm : ba pha

- Dòng, áp định mức Uđm, Iđm: đại lượng dây

- Tổn hao công suất P0, Pn : ba pha

- Các đại lượng khác: un%, i0%

2- Tæ nèi d©y

a §Þnh nghÜa:

Y/Y-12

Cách nối d/q SC cách nối d/q TC số (giờ)

Y/∆ - 11

AB

U

ur

ab

U

ur

12x30o = 360o

AB

U

ur

ab

U

ur

11x30o = 330o

3 Hệ số biến áp

1 m d

m

U k

U

2đ

1f m 1 f

k

2fđ

4 Sự làm việc song song của MBA 3 pha

a Mục đích:

- Đảm bảo tính kinh tế

- Liên tục cung cấp điện

b Điều kiện:

- Cùng tổ nối dây

- Hệ số biến áp bằng nhau

- Điện áp ngắn mạch bằng nhau (sai khỏc khụng quỏ 10%)

Ví dụ : MBA 3 pha có số liệu :

Sđm = 500 kVA; U1đm /U2đm = 22/0,4 kV; Po = 900 W;

Pn = 3600 W; io% = 2; un% = 4;

Tìm : - Các thông số sơ đồ thay thế

dây quấn nối ∆/Y- 11

- ∆ U% và hiệu suất η khi MBA làm việc với β = 0,8; hệ

số cosϕ2 = 0,8 tải điện cảm

- Điện áp U 2 khi tải định mức

Giải

1 Thông số sơ đồ thay thế

nf

1 mf

P

R

I

=

đ

1 m

1 mf

I I

3

= đ

đ

Sơ cấp nối ∆

1 m

m

S 3U

đ 1đ

n

1 mf

U I

=

®

Z

X = Z − R

1nf

U =

1nf

n

1 mf

U I

=

®

Z

n

X =

' n

1 2

R

2

' n

1 2

X

2

2 2

f

X ' X

k

=

1f f

2f

U k

U

n

1 mf

u %

U

100 ®

2

2 f

R ' k

of

of

P

R

I

=

1of o

of

U I

Z

2 2

of

o

th o

o

o

1 mf

i %

I

100 ®

o

th o

X ≈ X = 144.153 Ω

th o

o

Chó ý : R1 = 10, 45 Ω X1 = 57 Ω

o o

R

=

Z

o

1 m o

P 3U ® I

2 T×m ∆ U% vµ hiÖu suÊt η ∆U%= β(unr%cosϕ2+unx%sinϕ2) cosϕ2 = 0,80 sinϕ2 = 0,6

n 1 m nr

1 m

R I

U

®

100 U

®

Z

Z

n n

n

R

u %

=

Z

n

n

X

Z

∆ U% =

2

η =

=

U%

U (1 )U

100

∆

3 T×m U2

=

7.9 Máy biến áp đặc biệt

1 Máy biến áp tự ngẫu

a Sơ đồ nguyên lý

b Đặc điểm

2 2

k

1

W

W

=> =

- Năng lượng chuyển từ SC sang TC

theo 2 đường-> Kích thước nhỏ gọn

U1

U2

W1

W2

A

khi A thay đổi

U2 thay đổi từ: 0 ữ U1đm

U1 = 220 V

U2 = 0ữ250 V

W1

W2

A

U1

U2

c Phạm vi sử dụng

- Cụng suất vừa và nhỏ

- Cụng suất lớn

Trờn nhón MBATN ở PTN

2

1

W

W

=> =

2 2

k

2 Máy biến áp đo lường

a Máy biến điện áp

* Sơ đồ nguyên lý

* Đặc điểm

V

Ucao

W1

W2

- 2 đầu dq thứ cấp luôn nối với Vôn kế

U2đm = 100 V

Khụng tải

b Máy biến dòng điện

a Sơ đồ nguyên lý

b Đặc điểm

- hệ số BD : 1 2

i

I W I k

A

2

W

W

=> = lớn

- 2 đầu dq thứ cấp luôn nối với A

A

Ilớn

W1

W2

1 hoặc 2 vũng

- I2đm = 5A -> MBA 100/5, 200/5, 1000/5, …