giáo trình điện lý thuật phần máy biến áp

Vai trò và công dụng máy biến áp Để dẫn điện từ nhà máy phát điện đến các hộ tiêu thụ cần phải có đường dẫn truyền tải điện như hình vẽ sau : SƠ ĐỒ TRUYỀN TẢI CUNG CẤP ĐIỆN ĐƠN GIẢN Nếu

CHƯƠNG 4 – MÁY BIẾN ÁP 4.1 – KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP

I Khái quát về máy biến áp

1 Định nghĩa máy biến áp

Máy biến áp là một thiết bị điện từ tĩnh , làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ , 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 đổi Máy biến áp cũng có tính thuận nghịch

Hệ thống đầu vào máy biến áp ( trước khi biến đổi ) có : điện áp U1 , dòng điện

I1 tần số f Hệ thống đầu ra máy biến áp ( sau khi biến đổi ) có : điện áp U2 , dòng điện I2 Trong bản vẽ máy biến áp được ký hiệu như sau :

Đầu vào của máy biến áp nối với nguồn điện được gọi là sơ cấp Đầu ra nối với tải gọi là thứ cấp Các đại lượng , các thông số sơ cấp trong ký hiệu có ghi chỉ số

1 : số vòng sơ cấp W1 , điện áp sơ cấp U1 , dòng điện sơ cấp I1 Các đại lượng , các thông số thứ cấp trong ký hiệu có ghi chỉ số 2 : số vòng thứ cấp 2 , điện áp thứ cấp

U2 , dòng điện thứ cấp I2

2 Vai trò và công dụng máy biến áp

Để dẫn điện từ nhà máy phát điện đến các hộ tiêu thụ cần phải có đường dẫn truyền tải điện như hình vẽ sau :

SƠ ĐỒ TRUYỀN TẢI CUNG CẤP ĐIỆN ĐƠN GIẢN

Nếu khoảng cách từ nơi sản xuất điện các hộ tiêu thụ điện lớn , một vấn đề đặt

ra là việc truyền tải điện năng đi xa làm sao cho kinh tế nhất

Ta có dòng điện truyền tải trên đường dây :

Và tổn hao công suất trên đường dây :

Trang 80



COS U

P I





2 2

2

.



 U COS

P R COS

U

P R

R

d d































ĐƯỜNG DÂY TẢI

ĐIỆN

MF

Từ công thức trên cho ta thấy , cùng một công suất truyền tải trên đường dây , nếu điện áp truyền tải càng cao thì dòng điện chạy trên đường dây càng bé , do đó trọng lượng và chi phí dây dẫn sẽ giảm xuống , tiết kiệm được kim loại màu , đồng thời tổn hao năng lượng sẽ giảm xuống trên đường dây

Vì thế muốn truyền tải công suất lớn đi xa ít tổn hao và tiết kiệm kim loại màu người ta phải dùng điện áp cao thường là 35 , 110 , 220 , 500 kV Trên thực tế máy phát điện ra từ 3  21 kV , do đó phải có thiết bị tăng điện áp ở đầu đường dây Mặt khác các hộ tiêu thụ điện thường yêu cầu điện áp thấp từ 3  21 kV , do đó phải thiết kế thiết bị tăng điện áp ở đầu đường dây Mặt khác các hộ tiêu thụ thường yêu cầu điện áp thấp từ 0,4  6 kV , vì vậy cuối đường dây phải có thiết bị giảm điện áp xuống Thiết bị tăng điện áp ở đầu đường dây và giảm điện áp cuối đường dây gọi là máy biến áp

Máy biến áp có vai trò quan trọng hệ thống điện , dùng để truyền tải và phân phối điện năng

Ngoài ra máy biến áp còn được sử dụng trong các thiết bị lò nung ( máy biến áp lò ) ; trong hàn điện ( máy biến áp hàn ) ; làm nguồn cho các thiết bị điện , điện tử cần nhiều cấp điện áp khác nhau ; trong lĩnh vực đo lường ( máy biến điện áp , máy biến dòng )

3 Các đại lượng định mức

Các đại lượng của máy biến áp do xưởng chế tạo máy biến áp quy định để cho máy có khả năng làm việc lâu dài và tốt nhất

- Điện áp định mức : Điện áp sơ cấp định mức ký hiệu U1đm là điện áp quy định cho dây quấn sơ cấp , điện áp thứ cấp định mức ký hiệu U2đm là điện áp quy định cho dây quấn thứ cấp , khi dây quấn thứ cấp hở mạch và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức Người ta quy ước , với máy biến áp một pha điện áp định mức là điện áp pha , với máy biến áp 3 pha là điện áp dây

- Dòng điện định mức : Dòng điện định mức là dòng điện quy định cho mỗi

dây quấn của máy biến áp , ứng với công suất định mức và điện áp định mức , dòng điện sơ cấp định mức ký hiệu I1đm, dòng điện thứ cấp định mức ký hiệu I2đm Người ta quy ước với máy biến áp một pha , dòng điện định mức là dòng điện pha , với máy biến áp ba pha , dòng điện định mức là dòng điện dây

- Công suất biểu kiến định mức của máy biến áp là công suất định mức (Sđm) Đối với máy biến áp một pha là :

Đối với máy biến áp ba là :

Ngoài ra trên biển máy còn ghi tần số định mức fđm , số pha , sơ đồ nối dây, điện áp ngắn mạch, chế độ làm việc

Trang 81

dm dm dm

dm

dm dm dm

dm

4 Các loại máy biến áp chính

Máy biến áp điện lực để truyền tải và phân phối công suất trong hệ thống điện lực

Máy biến áp chuyên dùng sử dụng ở lò luyện kim , các thiết bị chỉnh lưu , máy biến áp hàn

Máy biến áp tự ngẫu dùng để liên lạc trong hệ thống điện , mở máy động cơ không đồng bộ công suất lớn

Máy biến áp đo lường dùng để giảm các điện áp và dòng điện lớn đưa vào các dụng cụ đo tiêu chuẩn

Máy biến áp thí nghiệm dùng để thí nghiệm điện áp cao

Trang 82

II Cấu tạo máy biến áp

Máy biến áp có các bộ phận chính sau đây : lõi thép , dây quấn và vỏ máy

1 Lõi thép

Lõi thép máy biến áp dùng để dẫn từ thông , được chế tạo bằng các vật liệu dẫn từ tốt thường là thép kỹ thuật điện có bề dày từ ( 0,35  1 mm ) , mặt ngoài có phủ sơn cách điện rồi ghép lại với nhau thành lõi thép

Lõi thép gồm hai thành phần :

Trụ là nơi để đặt dây quấn

Gông là phần khép kín mạch từ giữa các trụ

Trụ và gông tạo thành mạch từ khép kín

Các lá thép kỹ thuật điện thường được sử dụng có dạng hình chữ E , U , I

Trang 83

CẤU TẠO BÊN

NGOÀI MÁY BIẾN

ÁP

CẤU TẠO BÊN TRONG MÁY BIẾN

ÁP

CẤU TẠO BÊN TRONG MÁY BIẾN ÁP

Dây quấn thứ cấp

Dây quấn

Sơ cấp

2 Dây quấn

Nhiệm vụ của dây quấn máy biến áp là nhận năng lượng vào và truyền năng lượng ra

Dây quấn máy biến áp thường làm băng dây đồng hoặc nhôm , tiết diện tròn hay dẹp , bên ngoài dây dẫn có bọc cách điện

Dây quấn gồm nhiều vòng dây và lồng vào trụ của lõi thép Giữa các vòng dây , giữa các dây quấn và lõi thép đều cách điện

Máy biến áp thường có hai hoặc nhiều dây quấn Khi dây quấn nhận điện áp vào gọi là sơ cấp và dây quấn đưa điện áp ra được nối với tải gọi là thứ cấp

Thường trong máy biến áp có một cuộn sơ cấp , nhưng cũng có thể có một hay nhiều cuộn thứ cấp

Khi các dây quấn đặt trên cùng một trụ thì dây quấn sơ cấp đặt sát trụ từ còn các dây quấn thứ cấp đặt lồng ra bên ngoài

3 Vỏ máy

Vỏ máy biến áp làm bằng gang , thép tấm gồm hai bộ phận : thùng và nắp thùng

Thùng máy biến áp : Trong thùng máy biến áp đặt lõi thép , dây quấn và dầu máy biến áp Dầu máy biến áp làm nhiệm vụ tăng cường cách điện và tản nhiệt Lúc máy biến áp làm việc , một phần năng lượng tiêu hao thoát ra dưới dạng nhiệt làm dây quấn , lõi thép và các bộ phận khác nóng lên Nhờ sự đối lưu trong dầu và truyền nhiệt từ các bộ phận bên trong máy biến áp sang từ dầu qua vách thùng ra môi trường xung quanh

Nắp thùng máy biến áp : dùng để đậy trên thùng và trên đó có các bộ phận quan trọng như : Sứ ra của dây quấn cao áp và dây quấn hạ áp ; Bình giản dầu ;Ống bảo hiểm

Ở mỗi máy biến áp, sau khi chế tạo xong, người ta đều có ghi các thông số của máy trên biển máy Như điện áp sơ cấp và thứ cấp định mức : U1đm , U2đm ; dòng điện sơ cấp và thứ cấp định mức : I1đm , I2đm ; dung lượng định mức Sđm đó là công suất toàn phần mà máy có thể cung cấp Ngoài ra trên biển máy còn ghi tần số định mức fđm , số pha , điện áp ngắn mạch phần trăm Un% , tổ nối dây

III Nguyên lý làm việc máy biến áp

Khảo sát máy biến áp một pha hai dây quấn như hình vẽ sau : dây quấn sơ cấp có W1 vòng dây , dây quấn thứ cấp có W2 vòng dây

Trang 84

W 1 W 2



2

Khi nối dây quấn sơ cấp vào nguồn điện xoay chiều sẽ có dòng điện sơ cấp chạy dây quấn sơ cấp Dòng điện sơ cấp sinh ra từ thông biến thiên chạy trong lõi thép , từ thông này móc vòng đồng thời với cả hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp gọi là từ thông chính

Khi máy biến áp không tải , dây quấn thứ cấp hở mạch , dòng điện thứ cấp I2 =

0 từ thông chính trong lõi thép chỉ do dòng sơ cấp I0 sinh ra

Khi máy biến áp có tải , dây quấn thứ cấp nối với tải có tổng trở tải , dưới tác động của sức điện động thứ cấp , có dòng điện thứ cấp , cung cấp điện cho tải Khi ấy từ thông chính do đồng thời cả hai dòng điện sơ cấp và thứ cấp sinh ra

Giả sử , biểu thức của từ thông xoay chiều trong mạch từ là :

Vì từ thông biến thiên nên theo định luật cảm ứng điện từ , các sức điện động

e1 , e2 được xác định :

Trong đó :

W1 , W2 : là số vòng của dây quấn sơ cấp và thứ cấp

max = Bmax S

max : từ thông cực đại ( Wb )

Bmax : cường độ từ cảm ( Wb/m2 )

S : tiết diện ( m2 )

Nếu ta chia sức điện động sơ cấp cho thứ cấp ta có :

Tỷ số biến áp Gọi k là hệ số biến áp

Nếu bỏ qua điện áp rơi trên dây quấn sơ cấp và thứ cấp thì ( E1  U1 ; E2  U2 ) thì ta được

k > 1 gọi là MBA giảm áp

k < 1 gọi là MBA tăng áp

Như vậy dây quấn sơ cấp và thứ cấp không trực tiếp liên hệ với nhau về điện nhưng nhờ có từ thông chính , năng lượng truyền từ dây quấn sơ cấp sang thứ cấp

Vì hiệu suất máy biến áp thường cao , nên một cách gần đúng có thể xem công suất máy biến áp nhận vào phía sơ cấp bằng công suất đưa ra phía thứ cấp ( U1.I1 = U2.I2 )

Trang 85

 .t

sin

max 



 

 V t

E dt

d W



















2 sin 2

1 1







 V t

E dt

d W



















2 sin 2

2 2







2

1 2

1

W

W E

E

k 

2

1 2

1 2

1

U

U W

W E

E

k  

1 max

1 4 , 44 f .W

2 max

2 4 , 44 f .W

1

2 2

1 2

1 2

1

I

I U

U W

W E E

k   

4.2 – CÁC PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG VÀ SƠ ĐỒ

THAY THẾ MÁY BIẾN ÁP

I Phương trình cân bằng máy biến áp

Để thiết lập phương trình cân bằng trước hết xét quá trình điện từ trong máy biến áp

1 Phương trình điện áp sơ cấp

Chúng ta hãy xét mạch điện sơ cấp , gồm nguồn điện áp sơ cấp u1 , sức điện động sơ cấp e1 , điện trở dây quấn sơ cấp R1 , điện cảm tản sơ cấp L1 áp dụng định luật 2 ta có phương trình điện áp sơ cấp

Viết dưới dạng tức thời :

Chuyển sang dạng số phức

2 Phương trình điện áp thứ cấp

Mạch điện thứ cấp gồm nguồn điện áp thứ cấp u2 , sức điện động thứ cấp e2 , điện trở dây quấn thứ cấp R2 , điện cảm tản thứ cấp L2 áp dụng định luật 2 ta có phương trình điện áp thứ cấp

viết dưới dạng tức thời :

Chuyển sang dạng số phức

Trang 86

1

1 1 1 1

dt

di L i R

 











1 I Z E

U

2

2 2 2 2

dt

di L i R

u    

 2

2 2













U

R 1

L 1

i 1

2

R 2

3 Phương trình cân bằng sức từ động

Trong phương trình điện áp sơ cấp U1 = I1Z1 – E1 , điện áp rơi I1Z1 thường rất nhỏ

vì thế có thể lấy đúng U1  E1

Vì điện áp lưới điện đặt vào máy biến áp U1 không đổi , cho nên sức điện động

E1 không đổi và từ thông max sẽ không đổi Ở chế độ không tải , từ thông chính do sức từ động của dây quấn sơ cấp i0 W1 sinh ra còn ở chế độ có tải , từ thông chính

do sức từ động cả hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp sinh ra , sức từ động lúc có tải là

i1.W1 – i2 W2

Theo lý luận trên , vì từ thông không đổi nên sức từ động lúc không tải bằng sức từ động có tải , do đó ta có phương trình sức từ động dưới dạng tức thời như sau :

i0 W1 = i1 W1 – i2 W2 ( * )

Chia hai vế ( * ) cho W1 ta được

i0 = i1– i’

2

Trong đó :

Hệ số biến áp

Dòng điện thứ cấp quy đổi về phía sơ cấp Chuyển sang dạng số phức

Phương trình sức từ động cho ta thấy rõ quan hệ giữa dòng điện sơ cấp và thứ cấp Hệ phương trình (1) , ( 2) , (3) là phương trình cân bằng của máy biến áp

II Sơ đồ thay thế máy biến áp

Từ phương trình cân bằng :

Ta xây dựng phương trình cân bằng , đó là sơ đồ điện gọi là mạch thay thế , phản ảnh đầy đủ quá trình năng lượng trong máy biến áp , thuận lợi cho việc phân tích , nghiên cứu máy biến áp

Để xây dựng mạch thay thế , trước hết cần thực hiện một số biến đổi toán học

1 Quy đổi các đại lượng thứ cấp về sơ cấp

Do hai cuộn sơ cấp và thứ cấp liên hệ với nhau qua mạch từ cho nên , muốn xây dựng được mạch điện thay thế ta phải thực hiện phép quy đổi

Nhân hai vế của phương trình ( 2 ) với k ta được

Trong đó :

Trang 87

2

1

W

W

k 

k

i

i' 2

 3

' 2 0 1









I

 











1 I Z E

U

 2

2 2













U

 3

' 2 0 1









I

























k

I E k Z I k U



2

k









2

k









 2' 1

2 I I k

I

Phương trình trở thành là

Điều kiện để thực hiện việc quy đổi là năng lượng trước và sau khi quy đổi trong máy biến áp là không đổi ( E’

2 I’

2 = E2 I2 )

2 Thiết lập sơ đồ thay thế máy biến áp

Vì từ thông do dòng điện không tải I0 sinh ra do đó ta có thể viết :

E1 = ( Rth + j Xth ) I0 = Zth I0

Zth = ( Rth + j Xth ) : tổng trở từ hoá đặc trưng cho mạch từ

Rth là điện trở từ hoá đặc trưng cho tổn hao sắt từ

Pst = Rth I2

0

Xth là điện kháng từ hoá đặc trưng cho từ thông chính

Thay giá trị – E1 vào b phương trình máy biến áp cuối cùng ta có :

Hệ ba phương trình chính là 2 phương trình định luật kiếc hốp 2 và 1 phương trình định luật kiếc hốp 1 viết cho mạch điện như hình vẽ sau Nhánh Zth gọi là nhánh từ hoá

Thông thường tổng trở nhánh từ hoá rất lớn , dòng điện I0 nhỏ , do đó coi thể bỏ nhánh từ hoá , ta có sơ đồ thay thế gần đúng

Sơ đồ gần đúng được sử dụng nhiều trong tính toán các đặc tính của máy biến áp Trong sơ đồ gần đúng Rn = R1 + R’

2 ; Xn = X1 +X’

2

Trang 88

 '

' 2

' 2

' 2

'











 Z I E

U













 1 1 0 0

1 I .Z I .Z











U ' 0.

2 ' 2 2









 0 2'

1 I I I



 2'

2

2 Z Z

k  k2.X2 X2'

4.3 – CHẾ ĐỘ KHÔNG TẢI VÀ CHẾ ĐỘ NGẮN

MẠCH CỦA MÁY BIẾN ÁP

I Chế độ không tải của máy biến áp

Để xác định hệ số biến áp k , tổn hao sắt từ và các thông số của máy biến áp ở chế độ không tải ta tiến hành thí nghiệm không tải Sơ đồ thí nghiệm không tải như hình vẽ sau

Đặt điện áp định mức vào dây quấn sơ cấp , thứ cấp hở mạch , các dụng cụ đo cho ta các số liệu sau :

Oát kế chỉ công suất không tải P0 = Pst

Ampe kế cho ta dòng điện không tải I0

Các vôn kế cho giá trị U1 ; U20

Từ đó ta tính được :

Hệ số biến áp k

Dòng điện không tải phần trăm

Điện trở , tổng trở , điện kháng không tải

Khi không tải, công suất phản kháng không tải rất lớn so với công suất tác dụng,

vì hệ số công suất lúc không tải rất thấp

Ở thí nghiệm không tải , điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là điện áp định mức

Trang 89

20

1 2

1 2

1

U

U E

E W

W

k  

3 10%

% 100

%

1

0

dm

I

I I

2 0

0 0

I

P R

0

1 0

0 0

I

U I

U Z

th  



2 0

2 0

3 , 0 1 , 0 cos

0 1

0





I U

P

dm



II Chế độ ngắn mạch của máy biến áp

Chế độ ngắn mạch là chế độ mà phía thứ cấp bị nối tắt lại , sơ cấp vẫn đặt vào điện áp Trong vận hành , do nhiều nguyên nhân làm máy biến áp bị ngắn mạch như hai dây dẫn điện ở phía thứ cấp chập vào nhau , rơi xuống đất hoặc nối với nhau bằng một dây tổng trở rất nhỏ Đây là tình trạng sự cố

Để xác định tổn hao trên điện trở dây quấn và xác định các thông số sơ cấp và thứ cấp ta tiến hành thí nghiệm ngắn mạch Sơ đồ thí nghiệm ngắn mạch như hình vẽ

Dây quấn thứ cấp nối ngắn mạch Dây quấn sơ cấp nối với nguồn qua bộ điều chỉnh điện áp Nhờ bộ điều chỉnh điện áp ta có thể điều chỉnh điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp bằng Un sao cho dòng điện trong các dây quấn bằng định mức

Đồng hồ A1 là ampe kế chỉ dòng điện ngắn mạch In

Đồng hồ A2 là ampe kế chỉ dòng điện thứ cấp I2

W là oát kế chỉ công suất ngắn mạch Pn

V là vôn kế để đo Un

Từ thí nghiệm ta tính được :

Điện áp ngắn mạch thường biểu diễn dưới dạng phần trăm

Điện trở , tổng trở , điện kháng ngắn mạch :

Từ các thông số xác định thí nghiệm ngắn mạch , có thể tính các thông số của máy biến áp bằng các công thức gần đúng

Từ đó , nếu biết hệ số biến áp k , có thể tính được các thông số của mạch thứ cấp

Trang 90

3 10%

% 100

%

1







dm

n n

U

U U

2 1

2

dm

n n

n n

I

P I

P

dm

n n

n n

I

U I

U Z

1





2

' 2

R R

R  

2

' 2 1

n

X X

X  

2

' 2 2

k

R

' 2 2

k

X

X 

2 2

n n

n Z R