May dien 1 chuong 2 may bien ap

KHÁI NIỆM1/ 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 xoay chiều ở điện áp này U1, I1, f thành một h

CHƯƠNG 2

MÁY BIẾN ÁP

2.1 KHÁI NIỆM

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 xoay chiều ở điện áp này (U1, I1, f) thành một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp khác(U2, I2, f), với tần số không thay đổi

Cuộn dây (1) có số

vòng W1, nối với lưới

có điện áp u1, gọi là

dây quấn sơ cấp

Cuén d©y (2) cã sè vßng W2 lµ cuén d©y thø cÊp

Hai cuén d©y cïng ®−ỵc

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

2.1 KHÁI NIỆM

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 :

Với :

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

Máy biến áp 3 pha : điện áp định mức là điện áp dây

2.1 KHÁI NIỆM

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 mức và điện áp định mức

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

c) Công suất định mức Sđm :

- Máy 1 pha : Sđm = U2đm I2đm = U1đm I1đm

- Máy 3 pha :

đm đm

đm đm

đm 3.U2 I2 3.U1 I1

2.1 KHÁI NIỆM

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 looại 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 lònung (máy biến áp lò), trong hàn điện (máy biến áp hàn), biến áp khởi động động cơ, đo lường v.v…

~

MFĐ MBA

tăng áp

MBA giảm áp

Đường dây tải điện

Phụ tải

4/ Cấu tạo máy biến áp

Máy biến áp gồm những phần chính sau:

4/ Cấu tạo máy biến áp

a) Lõi thép

Lõi thép dùng để dẫn từ thông Để giảm tổn hao do dòng điện xoáy, 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 gôngđể khép kín mạch từ giữa các trụ

T G

G

G G

Lõi thép loại trụ 1 pha và 3 pha

Lõi thép loại bọc 1 pha và 3 pha

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

4/ Cấu tạo máy biến áp

b) Dây quấn

Dây quấn máy biến áp thường bằng đồng hoặc nhôm, tiết diện tròn hay chữ nhật; bên ngoài dây dẫn có bọc cách điện Dây quấn gồm 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

Xen kẽ

HA

CA

Đồng tâm

4/ Cấu tạo máy biến áp

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

Thiết bị quấn dây MBA

4/ Cấu tạo máy biến áp

Lõi thép

Dây quấn Cánh tản nhiệt

Sứ cao áp

Nhãn máy

Làm mát tự nhiên bằng ccccáááánh tnh tnh tản nhin nhin nhiệtttt

Làm mát cưỡng bức bằng quququạtttt

2.2 QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MBA

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 từthông do nó sinh ra cũng là một hàm hình sin :

φ

φ = ΦΦmsinωωωt

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

1

π ω

π ω

)2

sin(

2

)2

2 2

2

π ω

π ω

2.2 QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MBA

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

E

k W

W E

E U

2 2 1

1I U I

I

I U

2.2 QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MBA

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 với mỗi dây quấn Từ thông tản móc vòng sơ cấp ký hiệu ψt1 do dòng

sơ cấp i1 gây ra, từ thông tản móc vào vòng thứ cấp ψt2 do dòng thứ 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

=

=

2.2 QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MBA

2/ Phương trình điện áp sơ cấp

Dạng phức :

với : tổng trở phức của dây quấn sơ cấp

x1 = ωL1 : điện kháng tản sơ cấp

3/ Phương trình điện áp thứ cấp

Dạng phức :

với : tổng trở phức của dây quấn thứ cấp

x2 = ωL2 : điện kháng tản thứ cấp

dt

di L i

r e

u1 = 1 + 1 1 + 1 1

1

1 1

1

1 1

1 1

1

.

I Z E

I jx I

r E

1 1

Z = +

2

2 2

2

2 2

2 2

2

.

I Z E

I jx I

r E

dt

di L i

r e

u2 = 2 − 2 2 − 2 2

2 2

Z = +

2.2 QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MBA

4/ 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.Φm Nhưng U1 = Uđm = const dù máy biến áp không tải hay có tải nên Φm = const và E1 = const Để Φm = const thì sức từ động khi không tải sinh ra Φm phải bằng tổng sức từ động sơ cấp và thứ cấp khi có tải để tổng sức từ động đó cũng sinh ra Φ = Φm

i1W1 - i2W2 = i0W1Hoặc :

Chia 2 vế cho W1 ta có :

với : dòng điện thứ cấp đã qui đổi về sơ cấp

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

.

1

2 2

k

I W W

2.2 QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MBA

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 = +

2.2 QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MBA

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 :

tương tự, điện áp qui đổi : U’2 = kU2

2 2

2

1 1

W

W E

2.2 QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MBA

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 = k2x2 ; Z’2 = k2Z2 ; Z’t = k2Zt

2 2

1

2 2

2

2 2

1'

k

I W

W I

2

2

2 2

2.2 QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MBA

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

1

.

'

I I

I = +

2.2 QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MBA

6/ Mạch điện thay thế máy biến áp

Thay thế nhánh E1 = E’2 bằng điện áp rơi trên tổng trở Zmđặc trưng cho từ thông chính và sự tổn hao sức từ trong lõi thép, được biểu thị bằng tổn hao trên điện trở từ hóa rm đặt nối tiếp với điện kháng từ hóa xm

Vì từ thông chính do dòng điện không tải I0 sinh ra nên ta cóthể viết :

với : tổng trở nhánh từ hóa

Như vậy ta đã thay thế máy biến áp thực gồm các mạch điện

sơ cấp, thứ cấp riêng biệt và mạch từ của nó bằng một mạch điện thống nhấtù gọi là mạch điện thay thế hình T của máy biến áp

( rm jxm ) I ZmI

E

0

2

1

.

=

m m

m r jx

Mạch thay thế hình T của máy biến áp

2.2 QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MBA

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 một mạch điện rất đơn giản như hình vẽ

Trong đó :

rn = r1 + r’2 : điện trở ngắn mạch

xn = x1 + x’2 : điện kháng ngắn mạch

Zn= rn + jxn : tổng trở ngắn mạch

2.2 QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MBA

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

2.2 QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MBA

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 :

- Hệ số công suất không tải :

đm

đm 2

U E

E W

W

% 10

% 3

%

100 I

1đm

I I

m

R I

p

R = 2 ≈

0

0 0

m

Z I

0 0

1đm

U

m

X R

Z

X0 = 02 − 02 ≈

3,01,0cos

ϕ

2.2 QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MBA

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

2.2 QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MBA

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

đm đm

U

I Z

U

n

n n

2 1

2 1

2

I P

pCuđm = n = n n = đm n = đm + đm

2

n

n n

2

2 2

k R

2.2 QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MBA

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

UU

n n

nx n

x

đm 1 đm

1

đm

UU

2.3 CÁC ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC Ở CHẾ ĐỘ TẢI ĐỐI XỨNG

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 : ∆U2 = U2đm – U2

- Độ biến thiên điện áp thứ cấp phần trăm :

đm 1 đm

2 đm

I I

%100

%

1

2 1

2

2 2

∆

đm

đm đm

đm

U

U U

U

U U

U

2.3 CÁC ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC Ở CHẾ ĐỘ TẢI ĐỐI XỨNG

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 cosϕ sớm và cosϕ=1

% 100 sin

1đm

U

I X U

ϕ > 0  sinϕ>0 cosϕ sớm  dòng sớm pha

2.3 CÁC ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC Ở CHẾ ĐỘ TẢI ĐỐI XỨNG

u

n n

jX R

I U

U

jX R

I U

2 1

1

2 2

1

ψ

Tính U1 khi cho trước U2 ; I2 ; cosϕ2 :

⇒ U’2 = k.U2; I’2 = I2 / k; ϕ2Dùng mạch tương đương đơn giản, chọn U’2 làm gốc:

2 2

2

2 2 2

Bài tập :

Trong thí nghiệm ngắn mạch của 1 MBA 1 pha 75KVA, 6600/230V; người ta tăng dần điện áp sơ cấp từ 0V cho đến khi 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 biến thiên điện áp lúc máy phát 50KW cho tải ở HSCS = 0.8 trễ.

Bài tập :

Trong thí nghiệm ngắn mạch của 1 MBA 1 pha 100KVA, 12000/240V; người ta tăng dần điện áp sơ cấp cho đến 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 : U1 = 12469.87V; cosϕ1 = 0.78

Về nhà làm thêm các bài tập : 6.41; 6.62; 6.82

2.3 CÁC ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC Ở CHẾ ĐỘ TẢI ĐỐI XỨNG

2/ Đặc tuyến ngoài :

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

U1=U1đm và cosϕ2 =const

2.3 CÁC ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC Ở CHẾ ĐỘ TẢI ĐỐI XỨNG

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 pCu :

Tổn hao đồng phụ thuộc vào dòng tải

Pn : tổn hao đồng định mức  được xác định trong thínghiệm ngắn mạch

b) Tổn hao sắt từ (tổn hao lõi thép) pFe

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

pFe = p0

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

=

′

′+

=+

=+

=

2 đm

2.3 CÁC ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC Ở CHẾ ĐỘ TẢI ĐỐI XỨNG

4/ Hiệu suất :

P2 = Pt = S2cosϕ2 = β Sđmcosϕ2 : công suất phát cho tải

P1 = P2 + pFe + pCu : công suất nhận từ nguồn

Hiệu suất :

n

P P

S

S P

P

2 0

cos

β ϕ

β

ϕ

β η

++

2.3 CÁC ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC Ở CHẾ ĐỘ TẢI ĐỐI XỨNG

4/ Hiệu suất :

Khi cosϕ2 không đổi, hiệu suất đạt cực đại khi

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

Bài tập : 6.41 và 6.42/Tr 208 ; 6.75/tr213 ; 6.82/tr214

β

ηmax

η

2.4 MÁY BIẾN ÁP 3 PHA

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)

2.4 MÁY BIẾN ÁP 3 PHA

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 cách thống nhất

2.4 MÁY BIẾN ÁP 3 PHA

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 độ ảnh hưởng của phụ tải không đối xứng và loại phụ tải

2.4 MAÙY BIEÁN AÙP 3 PHA

3/ Caực kieồu noỏi daõy

a) Nối sao (Y , Y0):

Trong dây quấn nối Y: Ud = U3 f, Id = If

A B C

X Y Z(Y)

X Y Z

A B C O(Y0)

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.3

A B C

X Y Z(∆)

Trong dây quấn nối ∆ : Id = If, Ud = Uf

2.4 MÁY BIẾN ÁP 3 PHA – TỔ NỐI DÂY

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 :

U

U W

U

U

k =

p p

p d

d

d U U U U k

k = 1 / 2 = 3 1 / 3 2 =

p p

p d

d d

d U U U U k

k = 1 / 2 = 1 / 3 2 = 1/ 3

p p

p d

d

k = 1 / 2 = 1 / 2 =

2.4 MÁY BIẾN ÁP 3 PHA – TỔ NỐI DÂY

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

2.4 MÁY BIẾN ÁP 3 PHA – TỔ NỐI DÂY

5/ Tổ nối dây máy biến áp

a) Tổ nối dây MBA 1 pha

α = 0o → I/I-12 α = 180o → I/I-6 α = 180o → I/I-6

2.4 MÁY BIẾN ÁP 3 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

2.4 MÁY BIẾN ÁP 3 PHA

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

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

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

=> Khi tính toán phải tìm các giá trị pha (tuỳ theo cách nối sao hay tam giác của phía sơ và thứ cấp) rồi áp dụng các công thức của máy biến áp 1 pha để tính toán

VD: Cho MBA 3 pha 320KVA, ∆/Y-11, 22kV/0,4kV có

I0%=2%; P0=720W; Un% = 4%; Pn=3900W

a) Tính Rn và Xn của MBA

b) Phần trăm biến thiên điện áp thứ cấp khi máy làm việc với tải có Pt = 200KW và HSCS = 0.8 trễ Suy ra điện áp thứ cấp lúc đó

c) Hiệu suất của MBA với tải trên

Câu hỏi ôn tập : MÁY BIẾN ÁP

1/ Điện áp thứ cấp định mức của MBA là điện áp thứ cấp đo