chương 2 máy biến áp

- Điện áp thứ cấp định mức U 2đm V,KV: là điện áp đo được giữa các cực của dây quấn thứ cấp khi dây quấn thứ cấp hở mạch chưa đấu tải và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức...

MÁY BIẾN ÁP

1/ Định nghĩa

Máy biến áp là một thiết bị từ tĩnh, làm việc theo nguyên lýcảm ứng điện từ, dùng để biến đổi một hệ thống dòng điện xoaychiều ở điện áp này (U1, I1, f) thành một hệ thống dòng điện xoaychiều ở điện áp khác(U2, I2, f), với tần số không thay đổi.

Cuộn dây (1) có số

vòng W 1 , nối với lưới

có điện áp u 1 , gọi là

dây quấn sơ cấp

Cuén d©y (2) cã sè vßng W 2 lµ cuén d©y thø cÊp.

Hai cuén d©y cïng ®­ỵc

quÊn trªn lâi s¾t (3) Z t lµ phơ t¶i cđa biÕn ¸p

2/ Các đại lượng định mức

Các đại lượng định mức của máy biến áp do nhà sản xuất qui định sao cho máy có khả năng làm việc lâu dài và tốt nhất Ba đại lượng định mức cơ bản là :

a) Điện áp định mức :

- Điện áp sơ cấp định mức U 1đm (V,KV): là điện áp qui định cho dây

quấn sơ cấp

- Điện áp thứ cấp định mức U 2đm (V,KV): là điện áp đo được giữa

các cực của dây quấn thứ cấp khi dây quấn thứ cấp hở mạch (chưa

đấu tải) và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức

Với :

Máy biến áp 1 pha : điện áp định mức là điện áp pha.

2/ Các đại lượng định mức

Các đại lượng định mức của máy biến áp do nhà sản xuất qui định sao cho máy có khả năng làm việc lâu dài và tốt nhất Ba đại lượng định mức cơ bản là :

b) Dòng điện định mức :

Dòng điện định mức sơ cấp I1đm (A) và thứ cấp I2đm (A) làdòng điện qui định cho mỗi dây quấn, ứng với công suất định mứcvà điện áp định mức

Với máy 3 pha: dòng điện định mức là dòng điện dây

c) Công suất định mức S đm :

- Máy 1 pha : S đm = U 2đm I 2đm = U 1đm I 1đm

- Máy 3 pha :

đm đm

đm đm

đm 3.U2 I2 3.U1 I1

3/ Công dụng của máy biến áp

- Máy biến áp dùng để tăng điện áp từ máy phát điện lên

đường dây tải điện đi xa, và giảm điện áp ở cuối đường dây để

cung cấp cho tải

- Các máy biến thế có công suất nhỏ hơn, máy biến áp (ổn áp) dùng để ổn định điện áp trong nhà, hay các loại biến thế, cục xạc, dùng cho các thiết bị điện, điện tử với hiệu điện thế nhỏ (230 V sang 24 V, 12 V, 3 V, )

- 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), biến áp

~

MFĐ MBA

tăng áp

MBA giảm áp Đường dây tải điện

Phụ tải

Máy biến áp gồm những phần chính sau:

a) Lõi thép

Lõi thép dùng để dẫn từ thông Để giảm tổn hao do dòng điệnxoáy, lõi thép gồm nhiều lá thép mỏng 0,35 -> 0,5 mm có sơn cách

điện ghép lại và gồm hai phần: trụ để đặt dây quấn và gông để

khép kín mạch từ giữa các trụ

T G

G

G G

Lõi thép loại trụ 1 pha và 3 pha

Tiết diện của trụ dạng bậc thang (MBA điện lực) hoặc hình vuông

b) Dây quấn

Dây quấn máy biến áp thường bằng đồng hoặc nhôm, tiết diệntròn hay chữ nhật; bên ngoài dây dẫn có bọc cách điện Dây quấngồm nhiều vòng dây và lồng vào trụ lõi thép Giữa các vòng dây,giữa các dây quấn và giữa dây quấn với lõi thép đều có cách điện

Dây quấn có thể bố trí theo kiểu đồng tâm hay xen kẽ

Máy biến áp công suất nhỏ thường làm mát bằng không khí.Máy lớn được đặt trong thùng dầu, vỏ thùng có cánh tản nhiệt.Ngoài ra còn có sứ để nối các đầu dây ra ngoài, bộ phận điều chỉnh

Máy biến áp gồm 2 bộ phận chính là : lõi thép và dây quấn

b) Dây quấn

Lõi thép

Dây quấn Cánh tản nhiệt

Sứ cao áp

Nhãn máy

Làm mát cưỡng bức bằng quạt

1/ Nguyên lý làm việc

Xét máy biến áp 1 pha như hình vẽ

Đặt điện áp xoay chiều hình sin u1 lên dây quấn sơ cấp nên từ thông do nó sinh ra cũng là một hàm hình sin :

 =  m sint

Theo định luật cảm ứng điện từ, các sức điện động cảm ứng e1,e2 sinh ra trong cuộn sơ cấp và thứ cấp là :

)2

sin(

2

)2

1 1

)sin(

2)

Trong đó :

Tỉ số biến áp hay hệ số biến áp :

Nếu bỏ qua sụt áp gây ra do điện trở dây quấn và từ thông tản

ra ngoài không khí, có thể coi gần đúng E1 U1 và E2 U2

Nếu bỏ qua tổn hao trong máy biến áp thì có thể xem :

hoặc

m m

m

fW fW

W

E1  1  2 1  4,44 1

m m

m

fW fW

E

k W

W E

E U

1 2

1

2 2 1

1I U I

I

I U

1

Có 2 nguyên nhân gây ra sụt áp trong các dây quấn đó là:

- Sụt áp do các điện trở sơ cấp R1 và thứ cấp R2

- Sụt áp do từ thông tản Từ thông tản chỉ móc vòng riêng rẻ vớimỗi dây quấn Từ thông tản móc vòng sơ cấp ký hiệu t1 do dòng

sơ cấp i1 gây ra, từ thông tản móc vào vòng thứ cấp t2 do dòngthứ cấp i2 gây ra Từ thông tản được đặc trưng bằng điện cảm tản.Điện cảm tản sơ cấp L1 và thứ cấp L2 lần lượt là :

2 2

2/ Phương trình điện áp sơ cấp

Dạng phức :

với : tổng trở phức của dây quấn sơ cấp

x 1 =  L 1 : điện kháng tản sơ cấp

3/ Phương trình điện áp thứ cấp

Dạng phức :

với : tổng trở phức của dây quấn thứ cấp

x 2 =  L 2 : điện kháng tản thứ cấp

1

1 1

1

1 1

1 1

1

.

I Z E

I jx I

r E

1 1

1 r jx

Z  

2

2 2

2

2 2

2 2

2

.

I Z E

I jx I

r E

2 2

2 r jx

Z  

4/ Phương trình cân bằng sức từ động Phương trình cân bằng sức từ động

Nếu bỏ qua điện áp rơi trên dây quấn sơ cấp thì ta có:

U1 = E1 = 4,44.W1f.m.Nhưng U1 = Uđm = const dù máy biến áp không tải hay có tảinên m = const và E1 = const Để m = const thì sức từ động khikhông tải sinh ra m phải bằng tổng sức từ động sơ cấp và thứ cấpkhi có tải để tổng sức từ động đó cũng sinh ra  = m

i 1 W 1 - i 2 W 2 = i 0 W 1

Hoặc :

Chia 2 vế cho W1 ta có :

với : dòng điện thứ cấp đã qui đổi về sơ

1 0

2

2

1

1

.

W I

W I

W

2

0

2

.

1

2 0

1

.

'

I I

I W

W I

2 2

k

I W W

Tóm lại, mô hình tính toán của MBA gồm 3 phương trình :

1

1 1

1

.

I Z E

t

Z I I

Z E

2 2

2

1

.

'

I I

I  

5/ Qui đổi các đại lượng thứ cấp về sơ cấp

a) Sức điện động và điện áp thứ cấp qui đổi :

Sức điện động qui đổi : 2 2

2

1 1

W

W E

5/ Qui đổi các đại lượng thứ cấp về sơ cấp

b) Dòng điện thứ cấp qui đổi :

c) Điện trở, điện kháng, tổng trở thứ cấp qui đổi :

; x’ 2 = k 2 x 2 ; Z’ 2 = k 2 Z 2 ; Z’ t = k 2 Z t

2 2

1

2 2

2

2 2

1'

k

I W

W I

2

2

2 2

5/ Qui đổi các đại lượng thứ cấp về sơ cấp

d) Các phương trình qui đổi

1

.

1 1

1

.

I Z E

t

Z I

I Z E

U' ' ' '2 '2 '

2 2

2

.

6/ Mạch điện thay thế máy biến áp

 rm jxm  I ZmI

E

0

2

1

.



m m

m r jx

Z  

Mạch thay thế hình T của máy biến áp

Mạch điện thay thế đơn giản của máy biến áp

Trong thực tế Zm rất lớn so với tổng trở sơ cấp hoặc thứ cấp,dòng I0 nhỏ do đó ta có thể xem Zm = , như vậy có thể xem nhưhở mạch nhánh từ hóa Như vậy máy biến áp có thể thay bằng mộtmạch điện rất đơn giản như hình vẽ

Trong đó :

r n = r 1 + r’ 2 : điện trở ngắn mạch

x n = x 1 + x’ 2 : điện kháng ngắn mạch

7/ Thí nghiệm không tải dùng để :

- Xác định tỷ số biến áp k

- Xác định tổn hao sắt từ

- Xác định các thông số của máy ở chế độ không tải

Sơ đồ thí nghiệm

Điều kiện :

- Hở mạch thứ cấp

- Cho U1 = U1đm

Đo được

- Điện áp thứ cấp không tải U20

- Tổn hao không tải p0

- Dòng không tải I0

Xác định được các thông số sau :

- Tỉ số biến áp :

- Dòng điện không tải phần trăm :

- Điện trở không tải :

- Tổng trở không tải :

- Điện kháng không tải :

8/ Thí nghiệm ngắn mạch dùng để xác định :

- Điện áp ngắn mạch phần trăm Un%

- Điện trở và điện kháng ngắn mạch Rn và Xn của mạch tương đương

- Tổn hao đồng định mức pCuđm

Sơ đồ thí nghiệm

Điều kiện :

- I1 = I1đm ; I2 = I2đm

Đo được

- Điện áp ngắn mạch : Un

- Tổn hao đồng định mức : Pn

Xác định được các thông số sau :

- Điện áp ngắn mạch phần trăm :

- Tổn hao đồng định mức :

- Tổng trở, điện trở và điện kháng ngắn mạch :

để đơn giản, có thể tính gần đúng :

R1 = R’2 = Rn/2; X1 = X’2 = Xn/2suy ra :

% 100

.

% 100

đm 1

U

n

n n

2 1

2 1

2

I P

pCuđm  n  n n  đm n  đm  đm

2

n

n n

Xác định được các thông số sau :

- Điện áp ngắn mạch tác dụng phần trăm :

- Điện áp ngắn mạch phản kháng phần trăm :

n n

nr n

r

đm 1 đm

1

đm

U U

n n

nx n

x

đm 1 đm

1

đm

U U

Hệ số tải : (S S 2 = S tt ; I 2 = I tt ))

1/ Độ biến thiên điện áp thứ cấp theo tải :

- Khi U1 = U1đm và I2 = 0 (không tải) thì U2 = U2đm

- Khi có tải : I2 ≠ 0 (có tải) thì U2 thay đổi theo tải

- Độ biến thiên điện áp thứ cấp :  U 2 = U 2đm – U 2

đm đm

1 2

2 2

II

S

I I

Từ mạch tương đương và đồ thị vectơ khi có tải

Ta có công thức tính U2% gần đúng như sau :

SV tự vẽ đồ thị vector cho trường hợp tải cos  sớm và cos  =1

% 100 sin

 

 n n

u

n n

jX R

I U

U

jX R

I U

2 1

1

2 2

1



Tính U 1 khi cho trước U 2 ; I 2 ; cos  2 :

Dùng mạch tương đương đơn giản, chọn

Hoặc dùng đồ thị vector  tính được trị hiệu dụng U1 :

Trong thí nghiệm ngắn mạch của 1 MBA 1 pha 75KVA,6600/230V; người ta tăng dần điện áp sơ cấp từ 0V cho đếnkhi dòng thứ cấp bằng định mức Lúc đó, điện áp và công suất

đo ở sơ cấp bằng 310V và 1600W Hãy tính phần trăm biếnthiên điện áp lúc máy phát 50KW cho tải ở HSCS = 0.8 trễ

Trong thí nghiệm ngắn mạch của 1 MBA 1 pha100KVA, 12000/240V; người ta tăng dần điện áp sơ cấp chođến khi dòng ngắn mạch thứ cấp bằng định mức Lúc đó,điện áp và công suất phía sơ cấp là 660V và 1200W.

1/ Tính các thông số Rn và Xn của máy

2/ Máy cung cấp 100KVA ở điện áp 240V cho tải có HSCS

= 0.8 trễ Tính điện áp và HSCS phía sơ cấp

ĐS : U 1 = 12469.87V; cos  1 = 0.78

2/ Đ

2/ Đặặc tuy c tuyếến ngoài : n ngoài :

Đường đặc tuyến ngoài biểu diễn quan hệ U2 = f(I2) khi

U1=U1đm và cos2 =const

3/ Các tổn hao :

Khi máy biến áp làm việc, có các tổn hao sau :

a) Tổn hao trên điện trở dây quấn sơ và thứ cấp gọi là tổn hao đồng p Cu :

Tổn hao đồng phụ thuộc vào dòng tải

P n : tổn hao đồng định mức  được xác định trong thí nghiệm ngắn mạch.

b) Tổn hao sắt từ (tổn hao lõi thép) p Fe

Do dòng điện xoáy và hiện tượng từ trễ sinh ra, không phụthuộc tải và được xác định trong thí nghiệm không tải

n n

n

Cu Cu

Cu

P R

I R

I

R R

I R

I R

I R

I R

I p

p p

2 2

1

2 1

2 1 2

2 2 1

2 1 2

2 2 1

2 1 2

4/ Hiệu suất :

P 2 = P t = S 2 cos  2 =  S đm cos  2: công suất phát cho tải

P 1 = P 2 + p Fe + p Cu : công suất nhận từ nguồn

Hiệu suất :

n

P P

S

S P

P

2 0

2

2 1

2

cos

cos

4/ Hiệu suất :

Khi cos2 không đổi, hiệu suất đạt cực đại khi

suy ra hệ số tải ứng với hiệu suất cực đại là :

500KVA, 2300/230V là Zn=0,2+j0,6  Máy cung cấp công suất định mức dưới điện áp thứ cấp định mức cho tải có HSCS=0,8 trễ.

1/ Tính phần trăm biến thiên điện áp thứ cấp

2/ Tính hiệu suất của máy, biết tổn hao lõi thép là

Tính hiệu suất khi máy phát tải định mức với HSCS=0,8 trễ.

1/ Cấu tạo mạch từ

Để biến đổi điện áp của một nguồn áp ba pha, ta có thể dùng một trong hai cách:

- Tổ máy biến áp 3 pha : gồm 3 máy biến áp một pha (a)

- Máy biến áp 3 pha với lõi thép gồm 3 trụ (b)

x y z

X Y Z a b c

A B C

2/ Ký hiệu các đầu dây

Các đầu tận cùng của dây quấn máy biến áp : một đầu gọi làđầu đầu, đầu còn lại gọi là đầu cuối

- Dây quấn 1 pha : có thể tùy ý chọn đầu đầu và đầu cuối

- Dây quấn 3 pha : các đầu đầu và đầu cuối phải chọn 1 cáchthống nhất

2/ Ký hiệu các đầu dây

3/ Các kiểu nối dây

Các kiểu nối dây MBA 3 pha phụ thuộc vào cấp điện áp, mức

3/ Caực kieồu noỏi daõy

Dây quấn nối Y dùng cho dây quấn CA vì khi đó

Uf < Ud lần  có lợi về mặt cách điện Dây

quấn nối Y0 dùng trong trường hợp phụ tải hỗn

hợp dùng cả Ud và Uf, chủ yếu dùng cho dây quấn

HA Trong 1 số ít trường hợp dùng cả cho CA

3

b) Nối tam giác ():

3

Thường dùng cho dây quấn HA của máy biến áp

trung gian Việc nối  có lợi hơn ở phía HA vì

dòng điện If < Id lần  có thể giảm tiết diện

dây  thuận tiện cho việc chế tạo

4/ Tỉ số biến áp

W1 : số vòng dây 1 pha sơ cấp là

W2 : và số vòng dây 1 pha thứ cấp

Ta có tỉ số điện áp pha :

và tỉ số điện áp dây :

Tỉ số điện áp dây không chỉ phụ thuộc vào số vòng dây mỗi pha mà còn phụ thuộc vào cách nối Y hay  Ta lần lượt có :

1

p

p p

U

U W

U

U

k 

p p

p d

d

k  1 / 2  3 1 / 3 2 

p p

p d

d d

k  1 / 2  1 / 3 2  1/ 3

5/ Tổ nối dây máy biến áp

Tổ nối dây biểu thị góc lệch pha giữa các sức điện động dây

sơ và thứ cấp

Góc lệch pha (tổ nối dây) phụ thuộc vào :

- Chiều quấn dây

- Cách ký hiệu các đầu dây

- Cách đấu dây sơ và thứ cấp

Để xác định tổ nối dây, người tadùng phương pháp kim đồng hồ :

Kim dài chỉ sức điện động dây sơcấp đặt cố định ở con số 12, kim ngắn

chỉ sức điện động dây thứ cấp đặt

tương ứng ở các số 1, 2,…, 12 tùy theo

góc lệch pha giữa chúng là 30, 60,…,

360

12 1

2 3 4 5 6

7 8 9 10 11

5/ Tổ nối dây máy biến áp

a) Tổ nối dây MBA 1 pha

5/ Tổ nối dây máy biến áp

a) Tổ nối dây MBA 3 pha

Nếu hoán vị thứ tự pha hoặc

đổi chiều quấn dây hoặc đổi ký

hiệu đầu dây, ta có các tổ nối

dây chẵn: 2, 4, 6, 8, 10, 12

Nếu hoán vị thứ tự pha hoặcđổi chiều quấn dây hoặc đổiký hiệu đầu dây, ta có các tổnối dây lẻ: 1, 3, 5, 7, 9, 11

Chú ý : các thông số của máy biến áp 3 pha

- Điện áp và dòng điện : Uđm, Iđm, Un, I0, => được cho theocác giá trị dây

- Công suất : Sđm, Pn, P0 => thể hiện công suất tổng của 3 pha

Trong đó :

U 1đm : điện áp dây sơ cấp định mức

U 2đm : điện áp dây thứ cấp định mức  khi chưa có tải

I 1đm : dòng dây sơ cấp định mức

I 2đm : dòng dây thứ cấp định mức

Un = Un% U1đm : điện áp dây ngắn mạch

I0 = I0% I1đm : dòng dây không tải

Từ đó suy ra các giá trị pha : I 1đmp ; U np ; I 0p tuỳ theo sơ cấp đấu Y

đm đm

đm đm

đm 3.U2 I2 3.U1 I1

- Suy ra :

2 0

I

U Z

0

1ñm

m m

S

S P

P

2 0

2

2 1

2

cos

cos

Tại sao các MBA phải làm việc

song song?

- Cung cấp điện liên tục cho tải

- Vận hành các MBA một cách kinh

tế nhất.

- Máy quá lớn thì việc chế tạo và

vận chuyển khó khăn.

Điều kiện để nối các MBA làm

việc song song ?

- Cùng tỉ số biến áp

- Cùng tổ nối dây

BIẾN ÁP

1/ Ñieàu kieän cuøng toå noái daây

XÐt 2 m¸y biÕn ¸p vËn hµnh song song: M¸y I vµ m¸y II

- NÕu chóng cã cïng tæ nèi d©y thì ®iÖn ¸p thø cÊp cña chóng sÏtrïng pha nhau

- NÕu tæ nèi d©y kh¸c nhau thì giữa c¸c ®iÖn ¸p thø cÊp cã sùlÖch pha

a x

II 2

1/ Điều kiện cùng tổ nối dây

Trong mạch nối liền thứ cấp của 2

máy xuất hiện 1 sức điện động E

Vậy ngay cả khi không tải, dây

quấn sơ và thứ cấp của các MBA cũng

xuất hiện dòng cân bằng :

IcbI = IcbII = E / (Zn1 + Zn2)

Dòng cân bằng này lớn hơn dòng

định mức nhiều lần làm cháy dây quấn

2/ Điều kiện cùng tỉ số biến áp

- Nếu tỉ số biến áp bằng nhau thì

điện áp thứ cấp của các MBA bằng

nhau, mạch nối liền thứ cấp các máy

không xuất hiện dòng điện

- Nếu tỉ số biến đổi khác nhau thì

sức điện động thứ cấp khác nhau, và

ngay cả khi không tải trong dây quấn

thứ cấp của các MBA đã có dòng

điện cân bằng Icb sinh ra bởi độ lệch

điện áp Dòng điện này sẽ chạy trong

dây quấn của các MBA theo chiều

ngược nhau

2

U

' II 2

2/ Điều kiện cùng tỉ số biến áp

Khi có tải, dòng cân bằng sẽ cộng

vào dòng điện tải làm cho hệ số tải

của các máy khác nhau, ảnh hưởng

xấu đến việc lợi dụng công suất

MBA

Vì vậy qui định  k của các MBA

song song không được lớn quá 0,5%

2

U

' II 2

3/ Điều kiện cùng điện áp ngắn mạch

ZnI

ZnII

' I

I2





' II

1 1

ĐiƯn ¸p r¬i trªn m¹ch ®iƯn:

I Z U

3/ Điều kiện cùng điện áp ngắn mạch

ZnI

ZnII

' I

I2





' II

nI nI

I

Z Z

I Z

I Z Z

U I

1

.

' 2

' II

Z

I Z

I Z Z

U I

3/ ẹieàu kieọn cuứng ủieọn aựp ngaộn maùch

Nhân 2 vế với

dmI dmI

dmI dmI

dmI

I U

U S

I

U

S U

ni

dmi dmI

nI

dmI dmI

I

U

S U

S U

I U

U

U I I

I

.

.

.

' 2





ni

dmi nII

II

U

S U

S

.



Trong đó: S = U đmI .I là tổng công suất truyền tải của các máy biến áp





ni

dmi dmI

nI I

U

I I

U

I I

.

' 2





ni

dmi dmII

nII II

U

I I

U

I I

.

' 2

3/ Điều kiện cùng điện áp ngắn mạch

Nghĩa là nếu điện áp ngắn mạch Un của các máy bằng nhau thìtải sẽ phân phối theo tỉ lệ công suất bằng nhau

Ngược lại nếu Un khác nhau thì MBA nào có Un nhỏ thì  lớn(tải nặng) và ngược lại máy nào có Un lớn thì  nhỏ (nhẹ tải)

Cụ thể nếu MBA1 có Un nhỏ khi làm việc ở tải định mức (=1)thì MBA2 có Un lớn sẽ làm việc non tải (<1) Như vậy không tậndụng hết công suất thiết kế của MBA

Chú ý : Cho phép U n của các MBA lệch nhau không quá 10%

nII nI

II I

U U

1 :

1 :  



BIẾN ÁP