Bài giảng Kỹ thuật điện đại cương_Chương 3 docx

Định nghĩa Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh làm nhiệm vụ truyền tải hoặc phân phối năng lượng.. Dòng điện không tải Dòng điện không tải Dòng điện không tải Do tổn hao trong lõi thé

Trang 1

Chương 3: Máy biến áp 1

Chương 3: MÁY BIẾN ÁP (7LT + 3BT)

IV.1 Giới thiệu chung về máy biến áp

IV.1.1 Định nghĩa

Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh làm nhiệm vụ truyền tải hoặc phân phối năng lượng Gồm cuộn dây sơ cấp nối nguồn điện và cuộn dây cảm ứng nối tải là cuộn thứ cấp Ký hiệu:

IV.1.2 Các đại lượng định mức

MBA một pha: U1đm, U2đm = U20, I1đm, I2đm, Sđm = U2đm.I2đm≈ U1đm.I1đm[VA]

MBA bapha: Uđm dây, Iđm dây, Sđm = 3U2đm.I2đm≈ 3U1đm.I1đm[VA]

IV.1.3 Cấu tạo của máy biến áp

Lõi: (0,35mm đến 0,5mm)

Dây quấn

Vỏ máy: có thể chứa dầu máy biến áp (làm mát và cách điện MBA)

IV.1.4 Nguyên lý hoạt động của máy biến áp

dt

d w

−

dt

d w

−

=

2

w j

1

Φ ω

−

&

2

w j

2

Φ ω

−

&

2

w j

1

Φ ω

−

=

2

w j

2

Φ ω

−

=

(U1 không đổi ⇒ E1 xem như không đổi ⇒ Φ không đổi

Từ thông Φ không đổi cả khi không tải và có tải)

Tỷ số biến áp:

2 1 2

1 w

w E

E

Nếu bỏ qua điện trở dây quấn và từ thông tỏa ra ngòai không khí ta có:

U1 ≈ E1 và U2 ≈ E2

⇒

2 1 2 1 2

1

U

U w

w E

E

i1

i2

u2 Zt φ

Trang 2

IV.2 Chế độ không tải của máy biến áp

IV.2.1

IV.2.1 Phương trình điện áp Phương trình điện áp Phương trình điện áp

2

w j E

1 1

Φ ω

=

−

≈ & &

2

w j E

2 2

Φ

−

=

≈ & &

IV.2.2

IV.2.2 Dòng điện không tải Dòng điện không tải Dòng điện không tải

Do tổn hao trong lõi thép, I& sớm pha hơn từ thông 0 Φ&0 góc α gọi

là góc tổn hao từ trễ

I0x là thành phần phản kháng hay từ hóa dùng để từ hóa lõi thép

I0r là thành phần tác dụng do tổn hao trong lõi thép

Thường I0r < 10% I0x ⇒ I0x ≅ I0

Dòng điện không tải I0 rất nhỏ hơn so với dòng điện sơ cấp định

mức nên có thể bỏ qua dòng không tải: I0 = (0,5% ÷ 10%)I1đm

IV.2.3

IV.2.3 Công suất không tải Công suất không tải Công suất không tải

P0 = PFe + Pr1 ≈ PFe (vì I0 nhỏ)

Fe

3 , 1 2 50 40

50

f p









 β

=

Trong đó

50

40

p là suất tổn hao trong thép ở tần số 50Hz và từ cảm 1T [w/kg]

β từ cảm trong lõi thép [T]

mFe khối lượng thép [kg]

IV.3.

IV.3 Chế độ tải Chế độ tải Chế độ tải

IV.3.1 Phương trình cân bằng điện áp sơ cấp và thứ cấp

Φ&

1

E&

2 U 2

E& = &

1

U& =−&

Φ&

1

I&

1

0

I2 =

&

2

E&

2

U&

1

E&

Φ&

1

E&

1

U&

0 I&

x I&

r 0 I&

α

1 I&

1

2 I&

t

Z&

1 σ

Φ&

2 σ

Φ&

2

U&

Φ&

Trang 3

Từ thông chính Φ sinh ra sức điện động cảm ứng chính:

dt

d w dt

d

1

φ

−

=

ψ

−

=

dt

d w dt

d

2

φ

−

=

ψ

−

= Từ thông tản:

1 1

do điện cảm tản sinh ra:

1

1 1

i

−

2

2 2

i

−

Từ thông tản chỉ móc vòng qua riêng lẻ từ cuộn dây, và tạo ra sức điện động cảm ứng :

dt

di L dt

d

1 1

σ

dt

di L dt

d

2 2

σ

Chiều điện áp như hình vẽ:







− +

=

+

−

=

σ σ

2 2 2 2 2

1 1 1 1 1

i r e e U

⇒











−

=

+ +

−

=

2 2 2 2 2

2

1 1 1 1 1 1

i r dt

di L e U

i r dt

di L e U

σ σ

Viết dạng số phức:









− +

= +

−

=

+

−

= +

+

−

=

2 2 2 2 2 2 2 2

1 1 1 1 1 1 1 1

I Z E I jx r E U

&

Với x1 = ω Lσ1 là điện kháng tản dây quấn sơ cấp

x2 = ω Lσ2 là điện kháng tản dây quấn thứ cấp

Z1 = r1 + jx1 là tổng trở dây quấn sơ cấp

Z2 = r2 + jx2 là tổng trở dây quấn thứ cấp

IV.3.2 Phương trình cân bằng sức từ động

U1 = const ≈⇒ E1 = const ⇒ Φm = const (E1 2 kdq N1f m

1 Φ π

Do từ thông Φm = const nên sức từ động không đổi (F=NI=ΦmRm)

⇒ (không tải) w1.I&0 =w1.I&1+w2.I&2 =const (có tải)

2 0

' 2 0

2 1

2 0

k

I I

I w

w I

I & & & & & &











− +

=













− +

=

với

2 1 2

1 E

E w

w

k = = là tỷ số biến áp

Zt

i1

u1

eσ2

i2

u2

e2

e1

eσ1

Trang 4

IV.3.3 Hệ phương trình môt tả máy biến áp và

giản đồ vector











− +

=

+

−

=

+ +

−

=

' 2 0 1

2 2 2 2 2

1 1 1 1 1

I I

I

I jx r E U

&

α góc tổn hao từ trễ

θ2 góc lệch pha giữa I2 và E2

IV.4 Sơ đồ thay thế của máy biến áp











− +

=

−

=

+

−

=

' 2 0 1

2 2 2 2

1 1 1 1

I I

I

I Z E U

&

IV.4.1 Quy đổi máy biến áp

Để thiết lập mạch tương đương cần các điều kiện: điện áp, dòng điện, tần số, năng lượng

Sức điện động và điện áp thứ cấp quy đổi

Qui về sơ cấp: E’2 = E1, mà 2 2

2

1

w

E = = ⇒ E’2 = kE2 Tương tự có : U’2 = kU2

Dòng điện thứ cấp quy đổi

Điều kiện năng lượng: E2I2 = E’2I’2

2

2 '

k

1 I E

E

Điện trở và điện kháng thứ cấp quy đổi

2 ' 2 2 2

2 k r

r =

2 ' 2 2 2

2 k x

t k Z

IV.4.2 Sơ đồ thay thế của máy biến áp











− +

=

+

−

=

−

=

+ +

−

= +

−

=

' 2 0

'

2

' 2 ' 2 '

2 ' 2 '

2 ' 2 ' 2 '

2

1 1 1 1 1

1 1 1

I I

I

I jx r E I Z E U

I jx r E I

Z E U

&

α

2 θ 2

U&

2 I&

2

E&

1

E&

2

2I

jx &

−

1

1I

jx &

2

2I

r &

−

1

1I

r &

1 I&

2 ' I&

−

Φ&

1

U&

0 I&

1

E&

−

1

rm 0 I&

1

E&

2 E

1

2

U&

xm

' 2 I&

−

Trang 5

0 m

E& = & & = + &

Với Zm = rm + jxm là tổng trở hóa đặc trưng cho mạch từ

2 0

Fe m I

p

r = là điện trở hóa đặc trưng cho tổn hao

xm là điện kháng từ hóa đặc trưng cho từ thông chính Φ

Dòng điện không tải I0 thường rất nhỏ I0 = (0,5% ÷ 10%)I1đm

(tần số cao ko qua được)

Với rn = r1 + r’

2 là điện trở ngắn mạch của máy biến áp

xn = x1 + x’

2 là điện kháng ngắn mạch của máy biến áp

IV.5 Xác định các thông số của máy biến áp

IV.5.2 Thí nghiệm không tải

1) Tỷ số biến áp k:

20

dm 1 20 1 2 1 2

1

U

U U

U E

E w

w

2) Điện trở không tải: 2

0

0 1

0

I

p r r

Thường r0 >> r1 nên: rm ≈ r0

3) Tổng trở không tải:

0

1 0

I

U

thường Z0 >> Z m nên Z m ≈ Z0

0 2 0 1

Điện kháng từ hóa thường lấy gần đúng: xm ≈ x0

5) Hệ số công suất không tải:

0 1

0 0 cos

I U

p

dm

=

r1 x1

1

U&

20

U&

xm

A W

U1

I0 P0

U20

1

0 I&

1

E&

2 E

−

Z’ t 1

2

U&

' 2 I&

−

Xm

r 0 I& I& x

Rm

rn xn

Z’t 1

2

U&

Đ1=-Đ’2

Trang 6

IV.5.2 Thí nghiệm ngắn mạch

I1 = I1đm

Un = ( 3% + 10% ) U1đm

1) Tổng trở ngắn mạch

dm 1

dm 1 n

n n

I

U I

U

dm 1

n n I

P

n 2 n

Quan hệ gần đúng:

2

r r

2

1 ≈ ≈ và

2

x x

2

Unr = rnI1đm là thành phần tác dụng của điện áp ngắn mạch

Uux = xnI1đm là thành phần phản kháng của điện áp ngắn mạch

Điện áp ngắn mạch thường được tính bằng phần trăm so với điện áp

định mức:

100 U

I x 100 U

U

% U

100 U

I r 100 U

U

% U

100 U

I Z 100 U

U

% U

dm 1

dm 1 n dm

1

nx nx

dm 1

dm 1 n dm

1

nr nr

dm 1

dm 1 n dm

1

n n

=

IV.6 Các đặc điểm vận hành của máy biến áp

IV.6.1

IV.6.1 Giản đồ năng lượng của máy biến áp Giản đồ năng lượng của máy biến áp Giản đồ năng lượng của máy biến áp

Sơ cấp:

P1 = U1I1cosϕ1 công suất tác dụng

Q1 = U1I1sinϕ1 công suất phần kháng

ϕ1 góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp sơ cấp

pcu1 = r1I1 công suất tổn hao trên điện trở dây quấn sơ cấp

n

U&

nx

U&

ϕn nr

U&

A W

U1=Un

In Pn

n

U& Đn=Đ1đm

S1=P1+ jQ1 Sđt=Pđt+jQđt S2= P2+jQ2

pCu2 + jq2

pCu1+ jq1 pFe+jqm

Trang 7

qcu1 = x1I1 công suất phản kháng tạo từ trường bản dây quấn sơ cấp

pfe = rmIo2 công suất tổn hao trong lõi thép

qm1 = xmIo2 công suất phản kháng tạo từ trường chính trong lõi thép

Công suất điện từ tác dụng và phản kháng truyền từ sơ cấp qua thứ cấp máy biến áp

Pdt = P1 – pcu1 – pfe = E’2.I’2.cos ϕ2

Qdt = Q1 – qcu1 – qm = E’2.I’2.sin ϕ2

xem gần đúng góc lệch pha ϕ2 giữa U2 và I2 ≈ góc lệch pha θ2 giữa E2 và I2

Thứ cấp:

pcu2 = r2I22 công suất tổn hao trên điện trở dây quấn thứ cấp

q2 = x2I22 công suất phản kháng tạo từ trường bản dây quấn thứ cấp

Do đó công suất tác dụng và phản kháng ở đầu ra máy biến áp là:

P2 = Pdt – pcu2 = U2I2 cos ϕ2

Q2 = Qdt – q2 = U2I2 sin ϕ2

IV.6.2

IV.6.2 Hệ số tải của máy biến áp Hệ số tải của máy biến áp Hệ số tải của máy biến áp

dm 1 1 dm 2

2 I

I I

I

≈

=

β

Khi β = 1 - tải định mức; β < 1 - non tải; β > 1 - quá tải

IV.6.3

IV.6.3 Hiệu suất của máy biến áp Hiệu suất của máy biến áp Hiệu suất của máy biến áp

1

2

P

=

P

% 1

2

=

Cu Fe 2 2 1

2

P P P

P P

P

+ +

=

= η

P2 = U2I2 cosϕ2 = β.Sđmcosϕ2

PCu = I12r1 + I22r2 = I12(r1+r’

2) = I12rn = β2Pn (TN ngắn mạch với: I1đm)

⇒

n dm

dm

P P

S

cos

.

cos

.

2 0

2

2 β ϕ

β

ϕ

β η

+ +

=

nếu cos ϕ2 không đổi thì hiệu suất sẽ cực đại khi:

β

η

∂

= 0 ⇔ β2.Pn = P0

Hệ số tải ứng với hiệu suất cực đại là: β = PP0

n IV.6.4

IV.6.4 Độ thay đổi điện áp của máy biến áp Độ thay đổi điện áp của máy biến áp Độ thay đổi điện áp của máy biến áp

U1 = Uđm = const

U2 = U20 = U2đm Khi máy biến áp ở chế độ tải thì U2 < U2đm và phụ thuộc vào tải do điện áp rơi trên dây

quấn sơ cấp và thứ cấp Độ biến thiên điện áp thứ cấp ∆U2 là: ∆U2 = U2đm – U2

Trang 8

Chöông 3: Maùy bieân aùp 8

Ñoô bieân thieđn ñieôn aùp thöù caâp phaăn traím: 100

U

U U

% U

dm 2

2 dm 2 2

−

=

∆

U

U U 100 U

k

U k U k

%

U

dm 1

' 2 dm 1 dm

2

2 dm 2 2

−

=

−

=

∆

2 nx

2 nr

dm 1

2 nx 2 nr

U

sin U cos U

%

∆

Löu yù: sin ϕ2 > 0 khi doøng ñieôn chaôm pha (tại cạm)

sin ϕ2 < 0 khi doøng ñieôn sôùm pha (tại dung)

⇒ ∆U2% phú thuoôc vaøo heô soâ tại vaø tính chaât cụa tại

Töø ∆U% ta tính ñöôïc ñieôn aùp thöù caẫp U2 theo cođng thöùc:











−

=

∆

−

=

100

% U 1 U U U

dm 2 2 dm 2 2

IV.7 Maùy bieân aùp ba pha

Y hay

Y hay ∆∆∆∆

0

-U’ 2

rnI1

A

C

B

U1ñm

xnĐ1

ZnĐ1

Đ’2 = -Đ1

U2

U20

R L C

β

Trang 9

IV.8 Sự làm việc song song của máy biến áp

Điều kiện làm việc song song: dòng điện tải phân bố tỷ lệ theo công suất máy

⇔ + không có dòng cân bằng chạy trong các dây quấn thứ cấp

+ cùng hệ số tải β

Để đảm bảo hai điều kiện trên:

1 Các MBA có cùng điện áp sơ cấp và thứ cấp

2 Điện áp thứ cấp cùng pha và cùng tổ đấu dây

3 Cùng điện áp ngắn mạch phần trăm (để cùng cùng β)

E I

EII I

II

ZnII I’2I

I’2II

I’2

U’2 Z’2

U1

nI nII nI

nII II

I

U

% U

=

β

% U

% U I

Z

% U

I Z U

I Z I Z

1 I

Z

U I Z I

I I

I

nI nII II

1 2 nII nI

I 1 1 dm

1

IIdm 1 2 II 1 2 Idm 1 1

dm 1 I 1 1 II

1

IIdm 1 Idm 1

I 1 II























=

























=

β

MBA nào có điện áp ngắn mạch nhỏ hơn sẽ chịu tải lớn hơn

IV.9 Các máy biến áp đặc bi

IV.9 Các máy biến áp đặc biệt ệt ệt

Máy tự biến áp (máy biến áp tự ngẫu)

Trang 10

I1

I 2

Zt

U 1

U 2

W1

W 2

2

1 1 2 2

1 2

1

w

w U U W

w U

U

dòng điện?

Thay đổi được điện áp U2 dễ dàng bằng cách cho con trượt di chuyển

Máy biến điện áp

U 1

U2

(Biến áp làm việc ở chế độ hở mạch)

Tổng trở của cuộn dây sơ cấp Z1 của máy biến áp càng nhỏ càng chính xác

Giảm góc lệch pha bằng cách giảm r1

Máy biến dòng điện

I 2

I 1

Φ&

Đ0

δv

2

U&

− 1

E&

−

1

U&

2

U& = &

2

Đ1

δi

Trang 11

(Biến áp làm việc ở chế độ ngắn mạch)

Tổng trở mạch từ Zm của biến áp càng lớn (góc lệch pha càng nhỏ) càng chính xác Tổng trở của các cuộn dây Zn của máy biến áp càng nhỏ càng chính xác

Giảm góc lệch pha bằng cách tăng Zm

Trang 12

Bài tập

Giới thiệu chung về máy biến áp

MBA một pha: U1đm, U2đm = U20, I1đm, I2đm, Sđm = U2đm.I2đm≈ U1đm.I1đm[VA]

MBA bapha: Uđm dây, Iđm dây, Sđm = 3 U2đm.I2đm≈ 3 U1đm.I1đm[VA]

dt

d w

−

dt

d w

−

=

2

w j

1

Φ ω

−

&

2

w j

2

Φ ω

−

&

2

w j

1

Φ ω

−

=

2

w j

2

Φ ω

−

=

(U1 không đổi ⇒ E1 xem như không đổi ⇒ Φ không đổi

Từ thông Φ không đổi cả khi không tải và có tải)

Tỷ số biến áp:

2 1 2

1 w

w E

E

Nếu bỏ qua điện trở dây quấn và từ thông tỏa ra ngòai không khí ta có:

U1 ≈ E1 và U2 ≈ E2

⇒

2 1 2 1 2

1

U

U w

w E

E

Chế độ không tải của máy biến áp

2

w j E

1 1

Φ ω

=

−

≈ & &

2

w j E

2 2

Φ

−

=

≈ & &

Công suất không tải

0

I& (I0 = (0,5% ÷ 10%)I1đm) sớm pha hơn từ thông Φ&0 góc α gọi là góc tổn hao từ trễ:

I0x là thành phần phản kháng hay từ hóa dùng để từ hóa lõi thép

I0r là thành phần tác dụng do tổn hao trong lõi thép (I0r < 10% I0x ⇒ I0x ≅ I0)

Cô

Công suất không tải ng suất không tải

P0 = PFe + Pr1 ≈ PFe (vì I0 nhỏ)

Chế độ tải

Phương trình cân bằng điện áp sơ cấp và thứ cấp

Từ thông chính Φ sinh ra sức điện động cảm ứng chính:

dt

d w dt

d

1

φ

−

=

ψ

−

=

dt

d w dt

d

2

φ

−

=

ψ

−

= Từ thông tản:

1 1

do điện cảm tản sinh ra:

1

1 1

i

−

2

2 2

i

−

Trang 13

Từ thông tản chỉ móc vòng qua riêng lẻ từ cuộn dây, và tạo ra sức điện động cảm ứng :

dt

di L dt

d

1 1

σ

dt

di L dt

d

2 2

σ

Chiều điện áp như hình vẽ:







− +

=

+

−

=

σ σ

2 2 2 2 2

1 1 1 1 1

i r e e U

⇒











−

=

+ +

−

=

2 2 2 2 2

2

1 1 1 1 1 1

i r dt

di L e U

i r dt

di L e U

σ σ

Viết dạng số phức:









− +

= +

−

=

+

−

= +

+

−

=

2 2 2 2 2 2 2 2

1 1 1 1 1 1 1 1

I Z E I jx r E U

&

Với x1 = ω Lσ1 là điện kháng tản dây quấn sơ cấp

x2 = ω Lσ2 là điện kháng tản dây quấn thứ cấp

Z1 = r1 + jx1 là tổng trở dây quấn sơ cấp

Z2 = r2 + jx2 là tổng trở dây quấn thứ cấp

Phương trình cân bằng sức từ động

U1 = const ≈⇒ E1 = const ⇒ Φm = const (E1 2 kdq N1f m

1 Φ π

Do từ thông Φm = const nên sức từ động không đổi (F=NI=ΦmRm)

⇒ (không tải) w1.I&0 =w1.I&1+w2.I&2 =const (có tải)

2 0

' 2 0

2 1

2 0

k

I I

I w

w I

I & & & & & &











− +

=













− +

=

với

2 1 2

1 E

E w

w

k= = là tỷ số biến áp Hệ phương trình môt tả máy b

Hệ phương trình môt tả máy biến áp và giản đồ vector iến áp và giản đồ vector iến áp và giản đồ vector

( )











− +

=

+

−

=

+ +

−

=

' 2 0 1

2 2 2 2 2

1 1 1 1 1

I I

I

I jx r E U

&

α góc tổn hao từ trễ

θ2 góc lệch pha giữa I2 và E2

Zt

i1

u1

eσ2

i2

u2

e2

e1

eσ1

Tiêu đề	Máy Biến Áp
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Điện
Thể loại	Bài Giảng
Thành phố	Thành Phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	17
Dung lượng	209,95 KB