CHƯƠNG 2 các NGUYÊN lý của MBA

CHƯƠNG 2: CÁC NGUYÊN LÝ CỦA MBA Khái niệm chung  Cấu tạo của máy biến áp  Nguyên lý làm việc của máy biến áp  Mạch từ và tổ nối dây của máy biến áp  Máy biến áp làm việc không tải v

CHƯƠNG 2: CÁC NGUYÊN LÝ CỦA MBA

 Khái niệm chung

 Cấu tạo của máy biến áp

 Nguyên lý làm việc của máy biến áp

 Mạch từ và tổ nối dây của máy biến áp

 Máy biến áp làm việc không tải và có tải

 Máy biến áp thực và máy biến áp lý tưởng

 Các phương trình và mạch thay thế

 Xác định các thông số của máy biến áp

 Đồ thị véc tơ

§1 KHÁI NIỆM CHUNG

1 Vai trò và công dụng của máy biến áp

2 Định nghĩa: Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh,

làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, dùng

để biến đổi hệ thống dòng điện xoay chiều điện áp này thành hệ thống dòng điện xoay chiều điện áp khác nhưng cùng tần số

• Như vậy khi tăng điện áp truyền tải, tổn hao trên đường dây giảm xuống

§2 CẤU TẠO CỦA MÁY BIẾN ÁP

MBA 63000kVA/110kV – TBĐ – ĐA - HN

MBA TRONG TRẠM BIẾN ÁP

CẤU TẠO BÊN TRONG CỦA MBA

Lõi thép MBA ba pha ba trụ

1 Lõi thép

Mặt cắt ngang của trụ Mặt cắt ngang của gông

MẶT CẮT NGANG CỦA TRỤ VÀ GÔNG

Dây quấn hạ áp Dây quấn cao áp

a Dây quấn đồng tâm

• Dây quấn hình trụ

• Dây quấn hình xoắn

• Dây quấn xoắn ốc liên tục

2 Dây quấn

Dây quấn hình xoắn

b Dây quấn xen kẽ

Dây quấn hình xoắn ốc liên tục

§3 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MBA

• Ta xét máy biến áp như hình vẽ

• Giả thiết máy biến áp là lý tưởng nên điện áp rơi trong máy bằng không:

• Điện áp trên tải:

1

U& Zt

2I&

2U&

1I&

1U& a2Zt

Zv

Ví dụ: Một MBA 2400/480V, f = 50Hz có lõi thép với l =

1.07m, S = 95cm2 Khi đưa điện áp định mức vào máy biến áp thì H = 352Av/m và Bmax = 1.505T Tính N1, N2

và Io khi máy biến áp làm nhiệm vụ tăng điện áp

Tỉ số biến đổi điện áp:

Từ thông trong lõi thép:

Số vòng dây của cuộn CA:

• Hệ thống mạch từ MBA ba pha ba trụ

a

E

b D

BF&

&

A

FC

1 Cách ký hiệu đầu dây: Một cuộn dây 2 đầu ra

 MBA một pha: Tuỳ ý chọn đầu đầu, đầu cuối của cuộn dây

§5 TỔ NỐI DÂY CỦA MBA

X

B Y

C Z

Đầu Cuối Trung tính

CA A, B, C X, Y, Z O

HA a, b, c x, y, z o

TA Am, Bm, Cm Xm, Ym, Zm Om

 Đầu và cuối ba pha phải

chọn giống nhau nếu không

điện áp ra sẽ không đối xứng

AB

C

ABU&

nhau mắc nối tiếp ngược chiều nhau.

B0E

− &

B0E&

C0E

− &

C0E&

A0E

A0E& E&B0 E&C0

 Cùng chiều quấn dây

 Cùng kí hiệu đầu dây

X x

aA

 Góc lệch pha 0o

 Cùng chiều quấn dây

 Ngược kí hiệu đầu dây

X x

a

A

 Góc lệch pha 180o

 Cùng kí hiệu đầu dây

 Ngược chiều quấn dây

b MBA ba pha

Dùng kim đồng hồ chỉ tổ nối dây

MBA

• Do nối hình sao & nối tam giác

• Ký hiệu các đầu dây

• Nên góc lệch pha có thể là 30o, 60o, 90o … 360o

• Kim dài ở yên số 12 chỉ sđđ sơ cấp

Kết luận: góc lệch pha giữa sđđ sơ cấp và thứ cấp của MBA một pha là 0o hay 180o

• Kim ngắn chỉ sđđ thứ cấp

Y/Y-12

z

y

B C

Y/ ∆ - 7

b

z

c x

A

B C

a

b

y

c a

A B C

A

B C

c a

b

Y/Y- 8

§6 MÁY BIẾN ÁP KHÔNG TẢI

1 Máy biến áp không tải: Khi không tải, phía thứ cấp

để hở mạch Dòng điện đưa vào là dòng không tải(dòng điện kích thích) Io dùng để tạo từ thông và bù với tổn hao do từ trễ và dòng điện xoáy

• Dòng điện không tải Io = (1 ÷ 6)%Iđm

• Dòng điện không tải Io gồm có hai thành phần:

 Thành phần từ hóa để tạo ra từ thông hỗ cảm Φm

 Thành phần lõi thép cung cấp năng lượng bù với tổn hao trong lõi thép

1U&

RFe

Xm

FeI& I&m

oI&

1E&

1

U&

• Từ mô hình mạch ta có:

1 Fe

Fe

UI

• Khi không tải, s.t.đ trong máy là:

1 o 1 Fe 1 m

N I& = N I& + N I&

• Thành phần N I& không tạo ra từ thông hỗ cảm chạy1 Fe trong lõi thép Nó dùng để bù với tổn hao do dòng điện xoáy và từ trễ Nếu không có tổn hao, thành phần này không có

• Thành phần N I& là s.t.đ từ hóa, dùng để tạo ra từ 1 m thông trong lõi thép Từ thông này bằng:

1 m m

• Áp dụng định luật Kirhoff 2 cho cuộn sơ cấp ta có:

R

−

= & &

&

Ví dụ: Một máy biến áp 480/240V, 50kVA, 50Hz có

dòng điện kích thích bằng 2.5%Iđm và góc pha 78.8o Tính Io, IFe, Im và tổn hao trong lõi thép khi máy biến áp làm nhiệm vụ hạ điện áp

Dòng điện định mức của máy:

• io là dòng trong dây quấn sơ cấp

• Φ là từ thông trong lõi thép, do dòng io sinh ra có dạng: Φ = Φmsin(ωt - π/2)

• Ta xác định được dạng dòng điện từ hóa io(t) từ quan

tồn tại hay không phụ thuộc cách nối dây của mba

• MBA nối Y/Y: Dòng điện bậc 3 trong 3 pha:

 Tổ máy biến áp có mạch từ

riêng nên Φ3 khép mạch trong

lõi thép lớn, s.đ.đ e3 cũng lớn

(45% - 61%)e1f làm sđđ pha tăng

 Hại: 1 Hỏng cách điện dây

quấn, 2 Hư TB đo lường

3 Nhiễu đường dây thông tin

Không cho phép tổ MBA 3 pha nối Y/Y

 Từ thông bậc 3 phải đi qua vách thùng và dầu nên trị số nhỏ và có thể coi nó là hình sin

Từ thông bậc 3 trong mba

ba pha ba trụ nối Y/Y

Từ thông bậc ba trong mba làm

nhiễu đường dây thông tin

 S.đ.đ bậc 3 nhỏ nên có thể coi sđđ cảm ứng có dạng sin

 Từ thông bậc 3 gây nhiễu đường dây thông tin

Chỉ cho phép mba có S < 560 kVA nối Y/Y

 Dây quấn sơ cấp nối ∆ nên dòng io3 sẽ khép kín trong tam giác

 Như vậy io có dạng nhọn đầu như ở mba một pha

 Từ thông có dạng sin nên s.đ.đ có dạng hình sin

 Không có các hiện tượng bất lợi

o3

I&

o3I&

o3I&

• MBA nối ∆/Y

23I&

23I&

 Dòng điện i23 có chiều sao cho từ thông do nó sinh

ra chống lại từ thông tạo ra s.đ.đ e23

 Không có hiện tượng bất lợi khi mba nối Y/∆

 Kết quả là từ thông tổng bậc 3 nhỏ, nên có thể coi từ thông trong máy là sin

 Khi cần nối MBA theo kiểu Y/Y nhưng muốn tránh các hiện tượng bất lợi, ta đặt thêm trong máy một cuộn dây nữa nối ∆

§7 MÁY BIẾN ÁP LÀM VIỆC VỚI TẢI

• Khi có tải, theo luật Lenz, s.đ.đ cảm ứng trong cuộn dây thứ cấp có hướng chống lại từ thông sinh ra nó

• Từ thông giảm làm s.đ.đ giảm Do vậy i1 tăng theo (2.21)

• Dòng điện sơ cấp tăng cho đến khi N I1 1t& = N I2 2& để cho

E1 và Φm bằng giá trị của chúng khi không tải

& & &

• Khi tải giảm, dòng I2 giảm nên I1 giảm theo

§7 MBA LÝ TƯỞNG, MBA THỰC

1 Máy biến áp lý tưởng:

 Không có từ thông tản

 Không có tổn hao trong lõi thép

1I& I&2

1E& E&2 U&t v

Z′

tZ

• Do không có tổn hao nên:

& & &

• Tổng trở vào của máy biến áp lý tưởng:

′ = & & = && =

Ví dụ: Một máy biến áp lý tưởng 7200/240V, 50Hz làm

nhiệm vụ tăng áp có dây quấn thứ cấp nối với tải 144∠46oΩ Điện áp sơ cấp 220V

I& I&2

1F&

t1

Φ

2

U&t

Zt2

Φ

2F&

• Từ thông của của các cuộn dây:

& & &

Φ = Φ + Φ Φ = Φ − Φ& T & m & t2

• Như vậy Φ < Φm S và Φ > Φm T nên điện áp thứ cấp nhỏhơn điện áp thứ cấp của máy biến áp lý tưởng

• Điện áp rơi tạo bởi từ thông tản tỉ lệ với dòng điện tải

• Từ thông tản làm giảm điện áp ra của máy biến áp nhưng nó hạn chế dòng điện ngắn mạch

§8 CÁC PHƯƠNG TRÌNH VÀ MẠCH

ĐIỆN TƯƠNG ĐƯƠNG

1 Điện kháng của máy biến áp

• Để tính toán điện áp rơi trong máy với các phụ tải khác nhau ta cần tính đến ảnh hưởng của từ trường tản

• Điện áp rơi do từ trường tản được biểu diễn trên một điện kháng gọi là điện kháng tản.

2 Các phương trình của máy biến áp

• S.đ.đ trên các cuộn dây:

Φm1

I& I&2

1F&

Z2

σ

Φ

2F&

• Viết lại các phương trình ta có:

& = & + & + &

• Từ các phương trình trên ta có mạch điện:

oI&

X2

R21

E& E&2 Zt

• Mạch điện gồm một máy biến áp lý tưởng có các dây quấn được nối nối tiếp với các thành phần bên ngoài

để bao gồm các tổn hao, điện áp rơi và dòng điện kích thích của máy biến áp thực

• Từ thông tản được thể hiện bằng các điện kháng tản

X1 và X2:

1 1 t1

µ

=

ℜ

E& = jI X& E& t2 = jI X&2 2

• Phương trình điện áp sơ cấp và thứ cấp:

• Từ các phương trình trên ta có mạch điện tương đương:

3 Mạch điện tương đương

R1 X11

I& I&1t I&2

1

U&

mI& I&Fe

oI&

X2

R2

1E& E&2 Zt

RFe

Xm

4 Tổng trở tương đương

a Tổng trở tương đương

• Để đơn giản cho tính toán, máy biến áp thực được thay thế bằng tổng trở tương đương Tổng trở vào của máy biến áp lý tưởng:

2 2v

EI

• Ta có mạch điện thay thế máy biến áp như sau:

Z1t = a2Zt

R1 X11

I& I&1t = I a&2

1

U&

mI& I&Fe

oI&

• Khi máy biến áp làm việc với tải định mức hay gần định mức I&1t ? I&o nên sai số không lớn

• Nếu bỏ qua nhánh từ hóa, tổng trở tương đương của máy biến áp với các thông số quy đổi về sơ cấp là:

Z1t = a2Zt

R1 X11

• Tổng trở tương đương là:

Z = R a + R + j(X a + X ) R= + jX

b Phía cao áp và phía hạ áp

• Nhiều trường hợp ta dùng phía CA và phía HA thay cho phía sơ cấp và phía thứ cấp

• Mạch điện tương đương quy đổi về phía CA của máy biến áp làm nhiệm vụ hạ điện áp:

Z1tCA = a2ZtHA

RtdCA XtdCACA

I& I&CA = I&HA a

1U& ZvCA

ZtdCA

• Mạch điện tương đương quy đổi về phía HA của máy biến áp làm nhiệm vụ hạ điện áp:

ZtdHA

ZtHA

RtdHA

HAI&

Z′

• Mạch điện tương đương này thường dùng để xác định tổng trở vào của tổ hợp máy biến áp – tải

tdCA tdHA Z 2

Z

a

=

• Mạch điện tương đương quy đổi về phía HA của máy biến áp làm nhiệm vụ tăng điện áp:

Z1tHA = ZtCA/a2

RtdHA XtdHAHA

I& I&HA = aI&CA

1U& ZvHA

ZtdHA

• Mạch điện tương đương này thường dùng để xác định điện áp không tải và độ thay đổi điện áp

tdCA tdHA Z 2

Z

a

=

• Mạch điện tương đương quy đổi về phía CA của máy biến áp làm nhiệm vụ tăng điện áp:

ZtdCA

ZtCA

RtdCA

CAI&

Ví dụ: Một MBA 100kVA, 50Hz, 7200/480V có các thông số RCA = 3.06Ω, XCA = 6.05Ω, XmCA = 178091Ω,

RFeCA = 18.695Ω, XHA = 0.0027Ω, RHA = 0.014Ω Máy biến

áp cung cấp dòng điện định mức ở điện áp 480V, cosϕ

= 0.75 chậm sau Tính RtđCA, XtđCA, tổng trở vào khi có tải và không tải và thành phần tải của dòng điện cao áp

Theo đề ra, máy biến áp làm nhiệm vụ hạ điện áp Dòng điện phía HA:

Do cosϕ = 0.75 nên ϕ = 41.41o và khi chọn góc pha của điện áp ban đầu là 0o thì:

o HA

Điện kháng tương đương quy đổi về phía CA:

Z = Z + Z = (6.21 j12.125) 517.5 41.41+ + ∠

o6.21 j12.125 388.12 j342.3 530.2 41.95

Thành phần tải của dòng điện CA

FeI& I&o

mI&

• Sơ đồ thí nghiệm như sau:

• Để an toàn, thí nghiệm không tải được thực hiện ở phía HA.

• Bỏ qua tổn hao đồng trong dây quấn sơ cấp ta có:

o Fe

1

PI

• Sơ đồ thí nghiệm như sau:

nI& Rtd Xtd

§10 ĐỒ THỊ VÉC TƠ CỦA MÁY BIẾN ÁP

• Mạch điện tương đương của máy biến áp:

R1 X11

I& I&1t I&2

1

U&

mI& I&Fe

oI&

X2

R2

1E& E&2 Zt

Φ&

mI&

FeI& I&o

1I&

m

Φ&m

I&

FeI& o

I&

1I&

ϕ1

ϕ