Bài giảng kỹ thuật điện - Chương 6 doc

Giới thiệu chung về máy biến áp Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh làm việc theo nguyên lý ____ __________________, dùng để biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp này thà

Giới thiệu chung về máy biến áp

Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh làm việc theo nguyên lý

, dùng để biến đổi một hệ thống dòng điện

xoay chiều ở điện áp này thành một hệ thống dòng điện xoay

chiều ở điện áp khác với tần số không thay đổi

ỈMáy biến áp chỉ làm nhiệm vụ truyền tải hoặc phân phối

năng lượng chứ không biến đổi năng lượng

Máy biến áp gồm hai hay nhiều cuộn dây

liên hệ với nhau bởi từ thông móc vòng:

- Cuộn dây nối vào nguồn điện gọi là _

- Cuộn dây cảm ứng từ thông móc vòng của dây quấn sơ cấpgọi là _

BMTBD-KTĐ1-nxcuong-V1-5-05

Giới thiệu chung về máy biến áp

Các đại lượng và thông số liên quan đến phía sơ cấp hay dây quấn sơ cấp ghi chỉ số 1 : số vòng dây sơ cấp w1, điện áp sơ cấp U1, dòng điện sơ cấp I1, công suất sơ cấp P1

Các đại lượng và thông số liên quan đến phía thứ cấp hay dây quấn thứ cấp ghi chỉ số 2 : số vòng dây thứ cấp w2, điện áp thứ cấp U2, dòng điện thứ cấp

I2, công suất thứ cấp P2

Máy biến áp khi U2>U1

Máy biến áp khi U2<U1

Ký hiệu máy biến áp trong các sơ đồ điện:

Các đại lượng định mức

Điện áp sơ cấp định mức U1đm[V] là điện áp hoạt động

định mức của dây quấn sơ cấp máy biến áp

Điện áp thứ cấp định mức U2đm[V] là điện áp của dây quấn thứ cấp

khi máy biến áp _và điện áp đặt vào sơ cấp là định mức Đối với máy biến áp ba pha, điện áp định mức là

Dòng điện sơ cấp định mức I1đm[A] và dòng điện thứ cấp định mức

I2đm[A] là dòng điện trong các dây quấn sơ cấp và thứ cấp của máy

biến áp ứng với _và

Đối với máy biến ba pha, dòng điện định mức là _

BMTBD-KTĐ1-nxcuong-V1-5-05

Các đại lượng định mức

Công suất dịnh mứccủa máy biến áp Sđm[VA] là công suất toàn

phần (biểu kiến) đưa ra ở dây quấn máy biến áp

Máy biến áp một pha:

2 2

Máy biến áp ba pha:

Tần số định mức f [Hz] thường là 50 hay 60Hz

Các đại lượng khác như số pha, sơ đồ nối dây, điện áp ngắn

mạch, chế độ làm việc, …

Cấu tạo của máy biến áp

Các bộ phận chính:

- lõi thép

- dây quấn

- vỏ máy biến áp

Lõi thép Ỉ dẫn từ thông chính trong máy,

khung để đặt dây quấn, được làm từ những

lá thép kỹ thuật điện (dày 0,35mm hoặc

0,5mm, hai mặt có sơn cách điện)

Lõi thép gồm có trụ để đặt dây quấn và

gông dùng để khép kín mạch từ giữa các trụ

Dây quấn máy biến áp bằng

đồng hoặc nhôm được bọc cách

điện

BMTBD-KTĐ1-nxcuong-V1-5-05

Cấu tạo của máy biến áp

Máy biến áp kiểu bọc,

dây quấn đồng tâm Dây quấn xen kẽ

Vỏ máy biến áp bằng thép bao bọc

và bảo vệ dây quấn và lõi thép

Nguyên lý hoạt động của máy biến áp

Sơ đồ nguyên lý của máy biến áp

w1và w2: số vòng dây của dây quấn

sơ cấp và thứ cấp

Zt: tổng trở tải

u1đặt vào dây quấn sơ cấp Ỉ dòng điện sơ cấp i1Ỉsức từ độïng i1w1

Ỉtừ thông chính Φ móc vòng qua cả hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp

°Khi máy biến áp không tải: φ do dòng điện _

chạy trong dây quấn sơ cấp sinh ra

° Khi máy biến áp có tải, dòng điện trong dây quấn thứ cấp là i2

φ do sức từ động sinh ra

1 u 1

w 1 w 2

i2u 2 Z t

φ Ỉ sức điện động cảm ứng

1 u 1

w 1 w 2

i 2 u 2 Z t

tỷ số biến áp 1 1

Phương trình điện áp

Nếu bỏ qua điện trở và từ thông tản dây quấn sơ cấp,

phương trình cân bằng điện áp dây quấn sơ cấp và thứ cấp:

U =E = −jω φ (chọn chiều điện áp và điện động

và dòng điện như trên sơ đồ)

Chế độ không tải của máy biến áp

Dòng điện không tải

do tổn hao trong lõi thép, dòng điện không tải Iosớm pha

hơn so với từ thông φ góc α gọi là _

IoxỈtạo nên từ thông và cùng chiều với từ thông

Ior Ỉbùø tổn hao trong lõi thép và vuông góc với từ thông

Thường Ior < 10%Ioxnên ta có thể xem Iox≅Io

0 ( 0 5 % 1 0 % ) 1d m

BMTBD-KTĐ1-nxcuong-V1-5-05

Chế độ không tải của máy biến áp

2 1

P =P +r I 

Công suất tổn hao không tải

Công suất tổn hao không tải Pocủa MBA là công suất nguồn điện

cung cấp cho MBA hoạt động ở chế độ _

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

B: từ cảm trong lõi thép [T]

mFe: khối lượng thép [kg]

1,3 2 1,0

từ thông trong lõi thép

- Một phần lớn từ thông khép kín trong lõi

thép móc vòng qua cả hai dây quấn sơ cấp

và thứ cấp, gọi là _

từ thông chính φ Ỉ sức điện động cảm ứng _ trong dây

quấn sơ cấp và thứ cấp

- Một phần nhỏ từ thông do sức từ

động dây quấn sơ cấp hoặc thứ cấp

sinh ra chỉ móc vòng qua chính cuộn

dây đó và khép kín qua các vật liệu

phi từ tính - gọi là _

Từ thông tải φσ1vàø φσ2 chỉ móc vòng riêng lẻ qua dây quấn sơ cấp

và thứ cấp nên có từ thông tản móc vòng sơ cấp và thứ cấp tương ứng

L i

σ σ

ψσ1 do dòng điện sơ cấp i1gây ra

ψσ2do dòng điện thứ cấp i2gây ra

Ỉđiện cảm tản của dây quấn sơ cấp và thứ cấp:

1 1

Vì từ thông tản khép mạch qua các vật liệu phi từ tính có độ dẫn từ kém

Ỉtừ thông tản rất nhỏ so với từ thông chính

Ỉø điện cảm tản Lσ1và Lσ2 _vào dòng điện sơ cấp i1và i2

     xx12= ω L= ω Lσσ12: điện kháng tản dây quấn sơ cấp: điện kháng tản dây quấn thứ cấp

Z1= r1+ jx1: tổng trở dây quấn sơ cấp.

Z2= r2+ jx2: tổng trở dây quấn thứ cấp.

Chế độ tải của máy biến áp

Ơû chế độ không tải, từ thông chính φ do sinh ra

Ơû chế độ tải, từ thông chính φ do sức từ động _sinh ra

Do φ _nên ta có phương trình cân bằng sức từ động:

Khi MBA có tải thì dòng điện i1gồm 2 thành phần:

_Ỉtừ thông trong mạch từ

_ Ỉbiến đổi thành dòng điện i2cung cấp cho tải

Chế độ tải của máy biến áp

Hệ phương trình mô tả máy biến áp

Giản đồ vectơ

của máy biến áp

θ 2

α : góc tổn hao từ trễ

θ2: góc giữa I2và E2

BMTBD-KTĐ1-nxcuong-V1-5-05

Sơ đồ thay thế của máy biến áp

ỈSơ đồ thay thế của MBA gồm các _đặc trưng cho mạch điện và mạch từ của MBA

Hệ phương trình hay mô hình toán học mô tả máy biến áp

Do sức điện động dây quấn sơ cấp và thứ cấp khác nhau, để nối mạch

sơ cấp và thứ cấp với nhau thành một mạch chung thì hai dây quấn

phải có sức điện động, nghĩa là có _số vòng dây

ỈQuy đổi dây quấn thứ cấp và các đại lượng thứ cấp về sơ cấp

hoặc ngược lại thông qua một _

Sơ đồ thay thế của máy biến áp

Điều kiện quy đổi: các quá trình vật lý và năng lượngtrong máy biến

áp không bị thay đổi

°khảo sát trường hợp quy đổi các đại lượng máy biến áp thứ cấp về sơ cấp Khi quy đổi _- Ỉ _

2 2 2

→ x =

'

2 _

Z =

Dòng điện thứ cấp quy đổi?

Điều kiện quy đổi: máy biến áp không thay đổi khi quy đổi

_

Điện trở và điện kháng thứ cấp quy đổi?

Điều kiện quy đổi : Công suất _dây quấn thứ cấp và _dây quấn thứ cấp không đổi

' 2

2 2 2 2 2 '

hệ phương trình mô tả

MBA trước khi quy đổi hệ phương trình mô tả MBA sau khi quy đổi

Đây cũng chính là các phương trình Kirchhoff 1 và 2 mô tả

mạch điện:

2 x ’ 2

I ’ 2

I ’ 1

x1

rm

x m

I 0 -E1 -E ’

U 1

U ’

2 sơ đồ thay thế của

máy biến áp

I ’ 2

I ’ 1

x 1

rm

xm

I0-E1 -E ’

U1

U ’ 2

(-E1) là điện áp rơi trên nhánh từ hóa có tổng

trở Zmđặc trưng cho từ thông chính và tổn

hao sắt từ

Z =r + jx

2 0

Fe m

xm:là điện kháng từ hóa đặc trưng cho từ thông chính φ

Sơ đồ thay thế của máy biến áp

2 x ’ 2

I ’ 2

I ’ 1

x 1

r m

x m

I0-E1 -E ’

U1

U ’ 2

Xm

2 x ’ 2 -İ ’

2

İ ’ 1

x1

I 0 -Ė1

Z ’

Ior IoxRmÙ

Thông thường tổng trở từ hóa , dòng điện I0 _, ta có thể

nhánh từ hóa và có sơ đồ thay thế gần đúng

rn= r1+ r’2là điện trở ngắn mạch của máy biến áp

xn= x1+ x’2là điện kháng ngắn mạch của máy biến áp Nhánh từ hóa gồm 2 phần tử nối tiếp rmvàø xm có thể biến đổi tương đương thành nhánh từ hóa gồm 2 phần tử song song Rmvà Xm

BMTBD-KTĐ1-nxcuong-V1-5-05

Xác định các thông số của máy biến áp

Các điện trở và điện kháng trong sơ đồ thay thế của máy biến áp

có thể được xác định bằng thí nghiệmhoặc tính toán từ các thông

số hình học và các đặc trưng của mạch từ, dây quấn máy biến áp

Thí nghiệm không tải

Sơ đồ thí nghiệm không tải

Các kết quả tính toán:

Tỷ số biến áp k

20 1

2 1

2

1

U

U E

E w

w

k = = ≈

Xác định các thông số của máy biến áp

Sơ đồ thay thế MBA ở chế độ không tải ?

Điện trở không tải: r0= +r1 r m=

BMTBD-KTĐ1-nxcuong-V1-5-05

Xác định các thông số của máy biến áp

Thí nghiệm ngắn mạch

Sơ đồ thí nghiệm ngắn mạch

Dùng bộ điều chỉnh điện áp tăng dần điện áp đặt vào dây quấn sơ

cấp tới giá trịUnsao cho dòng điện trong các dây quấn _

Xác định các thông số của máy biến áp

U1=Un =IIn1đmPn I2đm

Sơ đồ thay thế của MBA ở chế độ ngắn mạch ?

Do Unnhỏ Ỉ từ thông φ _ Ỉdòng điện từ hóa Io _

Ỉ có thể trong sơ đồ

thay thế

BMTBD-KTĐ1-nxcuong-V1-5-05

Xác định các thông số của máy biến áp

Thí nghiệm ngắn mạch

Tổng trở ngắn mạch

n n n

n n

I

P

r =Điện kháng ngắn mạch 2

n 2 n

Để tính các điện trở và điện kháng trong sơ đồ thay thế máy biến

áp người ta thường sử dụng thêm quan hệ gần đúng trong thực tế

như sau :

2

rr

U1

U ’ 2

Xác định các thông số của máy biến áp

Thí nghiệm ngắn mạch

Tam giác điện áp ngắn mạch

Un

U nx

ϕn

U nr

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

Unx= xnI1đm: là thành phần phản kháng của điện áp

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

U1

U ’ 2

U 1

U ’ 2

Các đặc điểm vận hành của máy biến áp

Giản đồ năng lượng của máy biến ápkhi vận hành ở chế độ tải

S1= P1+ jQ1

S1= P1+ jQ1

pCu1+ jq1

Công suất máy biến áp nhận được từ nguồn điện

P1= U1I1cosϕ1 công suất tác dụng

Q1= U1I1sinϕ1 công suất phản kháng

Ơû phía sơ cấp, một phần công suất tác dụng và phản kháng

bị tiêu haohoặc được sử dụngtrên dây quấn sơ cấp

pcu1= : CS tổn hao trên điện trở dây quấn sơ cấp

q1 = : CS phản kháng tạo từ trường tản dây quấn sơ cấp

pCu 1+ jq1

Ơû phía sơ cấp, một phần khác của công suất tác dụng và

phản kháng bị tiêu hao và được sử dụng

pFe= _: công suất tổn hao trong lõi thép

qm= _ : công suất phản kháng tạo từ trường chính trong lõi thép

Các đặc điểm vận hành của máy biến áp

Phần còn lại chính là công suất tác dụng

và phản kháng truyền từ sơ cấp qua thứ cấp MBA

I ’ 2

I ’ 1

x 1

rm

xm

I0-E1 -E ’

U1

U ’ 2

I ’ 2

I ’ 1

x1

rm

xm

I 0 -E 1 -E ’

U1

U ’ 2

Ở phía thứ cấp, một phần công suất

điện từ bị tiêu hao trên dây quấn thứ cấp

pcu2= r2I2 : CS tổn hao trên điện trở dây quấn thứ cấp

q2= x2I2 : CS phản kháng tạo từ trường tản dây quấn thứ cấp

BMTBD-KTĐ1-nxcuong-V1-5-05

Các đặc điểm vận hành của máy biến áp

Giản đồ năng lượng của máy biến áp khi vận hành ở chế độ tải

S1= P1+ jQ1 Sđt= Pđt+ jQđt S2= P2+ jQ2

pCu 2+ jq2

pCu 1+ jq1 pFe+ jq1

S2= P2+ jQ2Công suất tác dụng và phản kháng ở đầu ra máy biến áp

P2= Pdt– pcu2= _

Q2= Qdt– q2=

công suất tác dụng cung cấp cho tải công suất phản kháng cung cấp cho tải

Các đặc điểm vận hành của máy biến áp

Hệ số tải của máy biến áp

2

2dm

I I

BMTBD-KTĐ1-nxcuong-V1-5-05

Các đặc điểm vận hành của máy biến áp

Hiệu suất máy biến áp

Định nghĩa hiệu suất máy biến áp

= ηhoặc

Tính hiệu suất của máy biến áp họat động ở hệ số tải β và hệ số

công suất tải cosϕ2

Cu Fe 2 2 1

2

PPP

PP

P

++

=

=η

β=

Cu Fe 2

2 1

2

PPP

PP

P

++

=

=

η

2 2 2

coscos

BMTBD-KTĐ1-nxcuong-V1-5-05

Các đặc điểm vận hành của máy biến áp

Sự thay đổi điện áp của máy biến áp

Nếu xem dây quấn sơ cấp máy biến áp nối vào nguồn điện có công suất vô cùng lớn thì :

U1=U1đm= constKhi máy biến áp hoạt động ở chế độ không tải thì điện áp dây quấn thứ cấp:

U2= U2o= U2đmKhi MBA hoạt động ở chế độ tải thì U2< U2đmvà phụ thuộc vào tải do điện áp rơi trên dây quấn sơ cấp và thứ cấp

Độ biến thiên điện áp thứ cấp ΔU2:

Các đặc điểm vận hành của máy biến áp

-I ’

n I 1

U 1dm

-I ’

2 = I 1 rnI1

U 1dm

Các đặc điểm vận hành của máy biến áp

Sự thay đổi điện áp của máy biến áp

sin ϕ2>0: khi dòng điện _

sin ϕ2<0: khi dòng điện _

ỈΔU2% phụ thuộc vào hệ số tải và tính chất của tải

Đặc tính ngoài của máy biến áp

U2

U20

R L C

β