giáo trình máy điện, phần một máy biến áp

-Khi nối cuộn dây sơ cấp với điện áp bên ngoài U1 thì trong cuộn sơ cấp xuấthiện dòng điện chạy trong cuộn dây sinh ra từ thông Φ khép kín mạch từcủa máy biến áp.. Theo định luật cảm ứng

Phần I.Máy biến áp.

I.Quá trình biến đổi điện từ trong máy biến áp.

1.Nguyên lý làm việc của máy biến áp một pha.

-Khi nối cuộn dây sơ cấp với điện áp bên ngoài U1 thì trong cuộn sơ cấp xuấthiện dòng điện chạy trong cuộn dây sinh ra từ thông Φ khép kín mạch từcủa máy biến áp Cảm ứng trong cuộn sơ cấp, thứ cấp một sdd e1, e2 Theo

định luật cảm ứng điện từ nếu nối thứ cấp Zt sinh ra dpngf điện I2 ⇒ sinh ra

=> hệ số của máy biến áp hay

=> số vôn cảm ứng của cuộn sơ cấp= số vôn cảm ứng của cuộn thứ cấp

2 Các loại từ trờng trong máy biến áp

Hoạt động của máy biến áp: Năng lợng điện=> năng lợng từ trờng => nănglợng điện ra ngoài

-Từ trờng chính : từ trờng trực tiếp tham gia vào quá trình buến đổi năng ợng (khép kín mạch từ )

l Từ trờng tản ;ko tham gia vào quá trình bién đổi năng lợng ,chạy bênngoài cuộn dây

3.Các phơng trình của máy biến áp

Giả thiết dồng điện điêni dung chạy qua lớp cách điện giữa các vòng dêy giữa các cuộn dây và đất là nhỏ ( tần số làm việc của lới điện là nhỏ )

- Tải của máy biến áp là đối xứng , chỉ cần xét một pha

- Mạch từ ko có bão hoà , độ từ thẩm trong loĩo thép lớn

- ko tính đến tổn hao do dòng xoáy và từ trễ sinh ra

* Ký hiệu L11 ,L22 lần lợt là điện cảm của dây cuốn sơ cấp và thứ cấp

L12=L21 =M : hỗ cảm giữa cuộn thứ cấp và cuộn sơ cấp

Lσ1,Lσ2 lần lợt là điện cảm tản trên cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp

a.Hệ ph ơng trình cân bằng điện áp trong máy biến áp

luồng từ thông móc vòng sinh ra các suất điện động cảm ứng e1 , e2 ở trong

Do từ thông φ= const => U1~E1~φ , U2~E2~φ (vì U1, U2=const => φ=const)

có dòng i1,i2 = sinh ra sức từ động i1ω1 , i2ω2 => tạo ra sức từ động tổngΦ =>sinh ra φ => i1w1+i2w2=i0w0

Nh vậy dòng điện I1 chạy trong cuộnn sơ cáp gồm hai thành phần I0 tạo nên

từ thông chính chạy trong lõi thép , (-I2/K) để bù klại tác dụng của cuộn thứcấp khi có tải I2 thuộc vào tải của máy biến áp I0=I1 khi hở mạch

4 Sơ đồ thay thế của máy biến áp

từ phơngtrình cânbằng điện áp , sức từ động mô tả máy biến áp nh ở mạch

điện vơi các quan hệ điện từ do đó có thể dẫn đến xác định sơ đồ thay thếcho máy biến áp

a.Quy đổi máy biến áp

Vì W1 ≠W2 , E1≠E2 gây khó khăn cho việc khảo sát máy biến áp nên ta quy

đổi với các cuộn dây W1≠W2 ,thành W1=W2'

* Quy đổi cuộn dây W2 -> W1 k=W1/W2 => W2'= kW2 = W1

->E2'=E1=kE2 , U2' =kU2

I2' khi quy đổi sao cho công suất toàn phần của cuộn thứ cấp ko thay đổi E2I2=E2'I2' => E2I2/E2'= I2/k

* quy đổi r2'; nguyên tắc tổn hao trong dây cuốn cuộn sơ cáp là ko đổi

c Sơ đồ mạch điện thay thế nh sau

Tơng ứng với phơng trình của máy biến áp đợc quy đổi Sơ đồ máy biến ápquy đổi có dạng sau :

Mỗi cuộn dây sơ cáp hoặc thứ cấpgồm hai cuộn dây nhỏ mắc nối tiếp mộtcuộn cuốn trên lõi thép ko có luồg từ thông tản φσ ko có tổn hao do dòngxoáy và từ trễ, cuộn còn lại ko có lõi thép , gồm có một điện trở thuần và

điện kháng tơng ứng với điện trở của cuộn dây và điện khánh tản trên cuộndây

Vì W1=W2', E1=E2' => hai cuộn dây chập làm một và dòng trong cuộn dây làI0=I1+I2'

d.Đồ thị véc tơ của máy biến áp:

Đợc xác định trên hệ phơng trình cân bằng các giá trị quy đổi cho phépchúng ta phân tích các trạng thái làm việc của máy biến áp nh góc lệch phacủa các đại lợng U, I, E, Ψ, ω

*Tải tính chất điện cảm R+L

Đặt véc tơ φ m theo chiều dơng của trục hoành, dòng điện không tải I0 sinh

ra φ vợt trớc 1 góc α các suất điện động E1 và E2' = E1 do φ m sinh ra chậmsau 900 Vì tải có tính chất điện cảm I2’ chậm pha sau suất điện động E2' mộtgóc Ψ2 với Ψ2 = arctg[(xt'+x2')/(rt'+r2)]

Ta có I0 = I1 + I2';

U2' = E2’ - (r2’+jx2').I2'

-> trong trờng hợp này I2' chậm pha sau U2' 1 góc Ψ2.

*Tải điện dung:

5.Phơng pháp xác định tham số của máy biến áp

a.Thí nghiệm không tải(sơ đồ véc tơ giống trên do I2' = 0 );

Z0=U1/I0; r0=P0/I02; x0=√ (z2-r02); K = U10/U20; i0%=I0/I1đm.100%;

Tổn hao không tải là một chỉ tiêu quan trọng trong thiết kế cũng nh trongvận hành( thờng Z1 << Zm ; I2=0;)

b.Thí nghiệm ngắn mạch

Zn = U1n/I1đm; rn = Pn/I1đm2; xn = √ (Z2 n -rn 2);

rn =r1+r2'; xn=x1+x2'

Un% = (Un/U1đm ).100; Unx = Unx100/U1đm; Un% =In.Zn/I1đm.Zn'

II.Máy biến áp ba pha.

1.Tổ nối dây của máy biến áp.

a.Kí hiệu đầu dây:

có đầu đầu cuối

Máy biến áp 1 pha: có thể tuỳ ý chọn đầu đầu, cuối.

Máy biến áp 3 pha: các đầu đầu cuối của cuộn cao áp, hạ áp phải chọn nhấtquán từ đầu đầu đến đầu cuối dây cuốn chọn theo một chiều nhất định

b.Sơ đồ nối dây của máy biến áp ba pha

Có hai kiểu đấu Y và đấu ∆

Nếu chuyền tải điện đi xa thì đầu cao áp đấu Y giảm đợc điện áp pha, giảm

đợc khoảng cách, cách điện giữa trụ và cao áp, tiết kiệm vật liệu cáhc điện

ở bên hạ áp đấu ∆ giảm dòng điện pha giảm tiết diện dây dẫn để chế tạo c.Tổ nối dây trong máy ba pha

Trong trờng hợp đa máy biến áp ba pha lên lới làm việc song song với cácmáy biến áp khác hoặc để dự trữ phân phối tải tốt hơn, tổ nối dây trong máy

đợc hình thành do sự phối hợp đầu dây giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp

Đặc trng cho tổ nối dây là góc lệch pha giữa sđd sơ cấp và thứ cấp của cácpha tơng ứng: kiểu cuốn, kí hiệu A, x, sơ đồ ∆ /Y

Máy biến áp 1 pha chỉ có yếu tố kiểu quấn dây (I/I6, I/I12) ảnh hởng đếngóc lệch pha

Máy biến áp ba pha dùng quy tắc kim đồng hồ: kim dài chỉ Ed sơ cấp kimngắn chỉ Ed thứ cấp

2.Chế độ làm việc đối xứng tải giữa các pha là giống nhau

a.Giản dồ năng l ợng

- Công suất tác dụng P1 = 3 U I cos1 1 ϕ

Tieu hao trên cuộn sơ cấp Pcu1 = I12.r1

Tổn hao trong lõi thép Pfe = I02.rM

-Công suất điện từ là công suất đợc truyền từ bên sơ cấp sang thứ cấp

Pđt=P1-P0-Pcu1

Tổn hao trên dây quấn thứ cấp là Pcu2 = I22.r2

-Công suất ra của máy biến áp P2=Pđt-Pcu2

b.Công suất phản kháng:

Vào cuộn sơ cấp Q1 = U1.I1.sinϕ1, một phần bị tiêu tán tạo thành từ trờng tảncủa cuộn sơ cấp q1 = I12x1 còn một phần tạo ra từ trờng chính qM = I02Xm

năng lợng còn lại chuyển qua thứ cấp qd = Q1 - q1 - qM

Một phần qd tạo ra từ trờng tản bên thứ cấp q2 = I22.X2 = I2’2.X2’

công suất phản kháng đầu ra Q2 = qd - q2 = Q1 - q1 - qM - q2 = U2.I2sinϕ2

-Nếu ϕ2 > 0 ⇒ Q2 > 0 lúc đó công suất phản kháng đợc truyền từ bên sơ cấpsang bên thứ cấp vào lới điện

ϕ2<0 ⇒ Q2<0 dòng vợt trớc áp tải mang tính dung lúc này phân fứng cảucuộn thứ cấp mang tính trợ từ ⇒ năng lợng công suất phản kháng truyền từthứ cấp sang sơ cấp

3.Máy biến áp làm việc //.

Để đảm bảo các điều kiện kinh tế kỹ thuật ngời ta dùng các máy biến áplàm việc // đảm bảo sự truyền tải năng lợng, khi có sự cố giảm tổn hao nănglợng trong thời gian làm việc, khi vận hành và sửa chữa Các điều kiện:

-Cùng tổ nối dây

-Hệ số biến áp

-Un% giống nhau

a.Điều kiện cùng tổ nối dây:

Nếu các máy biến áp làm việc // cùng tổ nối dây thì điện áp thứ cấp củachúng sẽ trùng nhau về pha nếu không chúng sẽ lệch pha nhau giả sử máy IY/∆11, máy II Y/Y12 thì điện áp chúng lệch pha nhau 1 góc 300

-Nếu K bằng nhau thì khi làm việc // điện áp thứ cấp lúc không tải của cácmáy biến áp sẽ bằng nhau E2I = E2II Trong mạch thứ cấp máy biến áp không

Khi quá tải dòng điện cân bằng sẽ cộng vào dòng Itải làm cho hệ số tải lẽ rabằng nhau lại trở thành khác nhau, ảnh hởng đến sự làm việc và phân bốcông suất của máy biến áp

c.Điều kiện cùng điện áp

Xét 3 máy biến áp Làm liệc // cùng K Sơ đồ thay thế đơn giản;

Tơng tự cho I2II’, I2III’

trên thực tế ϕnI≈ϕnII≈ϕnIII ⇒ các dòng điện tải trùng pha nhau thay số phứcbằng môdul của chúng

nI dmI dmk nk

=

∑

. tơng tự β2, β3

⇒ βI: β II: β III = U1nI:U1nII:U1nIII

hệ số tải máy biến áp tỷ lệ nghịch với điện áp ngắn mạch của chúng NếuUnI% = UnII% = UnIII% thì các máy biến áp đạt đợc công suất định mức cùng

1 lúc Trong trờng hợp ngợc lại nếu Un% nhỏ thì sẽ tăng tải trớc nhất

III.Các hiện tợng từ hoá máy biến áp

Khi có dòng điện chạy qua lõi thjép có xét đến mạch từ bão hoà, dòng xoáy,

từ trễ, để khắc phục những ảnh hởng đáng kể khi làm việc không tải, U1 sin-> U2 hở mạch

1.Máy biến áp một pha

a.Bão hoà mạch từ trong máy biến áp 1 pha

Đặt điện áp vào cuộn sơ cấp sẽ sinh ra dòng không tải I0 sinh ra từ thông φchạy trong lõi thép Nếu U = Umsinω t -> φ = φ msinω t (vì U = E -> φ biếnthiên theo t)

Đờng cong từ hoá:

Dòng từ hoá i0 = f(t) là không sin ta phân tích thành chuỗi

i0(t) = i0sinω t + ∑ i0ksinkω t (n=3,5,7)

Mặc dù điện áp biến thiên theo quy luật sin của thời gian nhng do bão hoàmạch từ i0 biến thiên không sin Ngoài thành phần sóng cơ bản bậc nhất còn

có nhiều sóng bậc cao trong đó thành phần bậc ba có anhr hởng nhiều nhất b.Hiện t ợng từ trễ

Là hiện tợng khi mạch từ bị từ hoá các phần tử bị nhiễm từ trong thép quayngang theo từ trờng bên ngoài tác động mà nó chậm sau một khoảng thờigian do masat, cần có một năng lợng để thắng ma sát, năng lợng này gọi làtổn hao từ trễ Nó tỉ lệ với bình phơng mật độ từ cảm và tần số biến thiêntrong từ trờng, kí hiệu là Pt ~B2.fα i0 chậm sau 1 góc α so với Φ

2.Máy biến áp 3 pha.

Các hiện tợng liên quan bão hoà mạch từ hết sức phức tạp Sự xuất hiện phụthuôc hai yếu tố: sơ đồ nối dây và cấu tạo mạch từ

a.Mạch từ:

Vì i, φ là không sin nhng biến thiên theo chu kì nên có thể phân thànhchuỗi F

*Với K = 6C+-1; C=0,1,2,3, k ≠ 3,9,15 => iAK+iBK+iCK = 0;

*Với K = 3C (C =1,2,3) => iAK+iBK+iCK =3iAK

=> các sóng hài không chia hết cho 3K = 6C ±1 tạo thành hệ thống dòng điqua các pha với mọi sơ đồ dùng dây cuốn (các pha) => ở dây trung bìnhcác sóng hài không tồn tại, các sóng bậc k=3C không tồn tại trong Y;

-Đấu ∆ i3 chạy trong các dây cuốn nhng không tồn tại I3d

*Tổ máy biến áp 3 pha

Trong hệ thống 3 pha của máy biến áp 1 pha thì luồng từ thông bậc 3 =>φ3khép kín mạch trừ giống nh sóng cơ bản do đó từ trở của sóng bậc 3 và cơbản là nh nhau có chung đờng cong từ hoá φ=φ1+φ3

*.Máy biến áp 3 pha 5 trụ

Hai trụ ngoài thực hiện vai trò nh dây trung tính Đờng đi của sóng bậc 3cũng nh đờng đi của sóng cơ bản

* Máy biến áp 3 pha 3 trụ

Từ trở φ3>> φ 2 có hai đờng cong từ hoá khác nhau.

b Các tr ờng hợp nối dây

*.Khi đấuY/Y

Sơ cáp Y => i3=0 , i03=0 i0=f(t) là hình sin φ=φ1+φ3nếu mạch từ 3 pha riêng

rẽ hoặc máy biến áp 3 pha 5 trụ thì từ trở Rà3 = Rà1 (chung 1 đờng đi )chínhvì vậy E3 có giá trị lớn

Suất điện động nhọn đầu có thể đấnh thủng cách điện => Y/Y ko áp dụngcho tổ máy biến áp 3 pha và máy biến áp 5 trụ chỉ dùng cho máy biếnáp 3pha 3 trụ vì Rà trong trờng hợp này có trị số lớn Tuy nhiên vì φ3 khép kínqua vách thùng gây tổn hao => η giảm => chỉ áp dụng cho các máy có côngsuất

*.Đấu ∆/Y :

Kiểu này sơ cấp ∆ do đó dòng điện i03 khép kín cho nên i0có dạng nhọn

đầui0=f(I)và luồng từ thông φ, e có dạng sin=> trờng hợp này ko bất lợi nhY/Y có thể dùng đợc

* Đấu Y/∆:

Bên sơ cấp Y => I0 phụ thuộc vào quan hệ i0g=f(t)=sin nhngφ2(t) không sindạng nhọn đầu , φ3 (t) ≠0 luồng từ thông bậc 3 do cuộn sơ cấp sinh ra sddcảm ứng trong cuộn dây thứ cấp e3≠0 nếu cuộn thứ cấp nối với tải trong đó

sẽ xuất hiện dòng điện bao gồm cả dòng bậc 3 Mặt khác điện kháng củasóng bậc 3=> X3 của dòng thứ cấp có trị số lớn X3=ω3L , ω3=3ω1 nên có thểcoi từ thông bậc 3 do dòng điện bậc 3 bên thứ cấp sinh ra ngợc pha với dòng

điện bên thứ cấp => luồng từ thông bậc 3 trong lõi thép là ko đáng kể vàsuất điện động cảm ứng của sóng bậc 3 ko đáng kể φ3=φ3(1)+φ3(2) φ3↓ <

φ3(1)+φ 3(2) E3->0 => Y/∆ chấp nhận đợc

Phần II: Máy điện không đồng bộ

- Dây quấn stato: dây quấn của máy điện không đồng bộ quấn rải do đó có

- Lõi thép giống nh của stato

- Dây quấn có 2 loại:

-loại quấn nh stato (roto dây quấn) bao giờ cũng nối ngắn mạch trên điệntrở và biến trở gọi là roto day quấn loại này quấn sao để giảm t/phần sóngbậc cao.

-Roto lồng sóc: Các thanh dẫn làm bằng nhôm hoặc đồng, roto lồng sóc hai

đầu có gắn 2 vòng ngắn mạch

- ở hai đầu của roto

- Máy điện kiểu này gọi là MĐKĐB roto lồng sóc đợc dùng nhiều hơn vì kếtcấu đơn giản, độ bền cao, độ tin cậy cao

Nhợc điểm: t/c mở máy kếm thể hiện là Fmm lớn = 5 ữ 7 Iđm

Mkhởi độnglớn = (2 ữ 2,5) Mđm

2 Nguyên lý làm việc

ĐCKĐB khi dây quấn stato đợc nối với nguồn điện ∼ V1 thì những phatrong dây quấn stato xuất hiện các dòng I1(IA,IB,IC)các dòng này lệch phanhau 120o điện và lệch pha trong không gian 120o.Do đó nó sing ra từ trờngquay φ1 n1: vận tốc quay của từ trờng

f: tần số biến thiên của nguồn điện

-gọi n là vận tốc quay của roto→hệ số trụ

n2: vận tốc quay của φ so với stato

- M điện từ là momen quay Mđt

M cản trên trục Mc cản lại momen quay (ngợc chiều quay của từ trờng).+ Chế độ máy phát:

Khi roto đợc quay = 1 lực bên ngoài có vận tốc lớn hơn vận tốc quay của từtrờng lúc này dòng cảm ứng trong roto vơí chế độ điều kiện đổi chiều vàmomen điện từ hình thành cũng đổi chiều so với chuyển động động cơ.Momen điện từ trở thành momen cản và momen trên trục thành momenquay

vì n > n1 → s < 0 CĐ máy phát

+ Chế độ hãm điện từ:

Roto quay ngợc chiều với chiều quay của từ trờng stato hệ số trợt s>1

II Cơ sở lý thuyết của máy điện.

1 Đại cơng

Xem xét máy điện không đồng bộ đối xứng về mạch từ→ Từ trơng do MĐsinh ra chỉ quay thuận và sóng cơ bản = 1

- Khi vận tốc quay của roto = 0 (roto đứng yên) s=1

- Nếu roto bị hãm lại =1 lực ngoài thì cuộn sơ cấp nối với nguồn, roto nốivới tải

- Nếu roto bị hãm lại = lực ngoài thì MĐKĐB làm việc giống nh MBA

Hệ thống dòng điện đối xứng I1 sinh ra sđđ F2 (F2 sđđ của stato)

W Số vòng dây stato, kdq stato

- Từ thông này cắt các thanh dẫn roto tạo ra dòng I2 đối xứng chạy trong cácpha dây quấn roto

→ P

I k w

* 2 m

F 2= π 1 dq12

Nh vậy sđđ F2 cũng sinh ra φ=2

Trong dây quấn roto sđđ E2

Giống nh trong MBA để tiện lợi trongquá trình khảo sát phải thực hiện qui

đổi cuộn roto → stato

- Cuộn roto quy đổi có số vòng w'2 = w1

.

m

k

2.Qui đổi máy điện không đồng bộ khi roto quay về roto đứng yên.

a.Những vấn đề chung

Khi roto quay n≠0, s≠1 thì f2 = sf1≠f1

Vì tần số dòng điện trong roto và stato ≠ nhau cho nên không thể biểu diếncác giá trị về điện của cuộn sơ cấp và thứ cấp trên cùng một vectơ thời gian

do đó phải qui đổi roto quay về roto đứng yên n≠0 ⇒ n=0

Sự biến thiên các giá trị điện từ trong máy điện vẫn đợc giữ nguyên Đã biết

từ trờng quay roto và stato có chung vận tốc và chiều quay  chúng đứngyên so với nhau trong không gian cả khi roto quay và đứng yên

Khi qui đổi các giá trị sdd E2, dòng điện I2, góc lệch pha ψ2 của dòng điệntrong cuộn dây

Khi roto đứng yên  Pcơ = 0 ta phải thay thế năng lợng cơ bằng năng lợngtơng đơng

b.Những biểu thức qui đổi

s j x

S 2

2

2 2 2

2 ) = arctg(s x.r 2

Góc Ψ2 trớc và sau khi qui đổi là không đổi Khi qui đổi roto quay sang

đứng yên, điện kháng x2, E2 vẫn giữ nguyên giá trị, chỉ có tổng trở thay đổi.r2s = r

Năng lợng còn lại là:

(Pđt - Pcu2) = Pcơ đa ra trên trục, mà Pcơ = m2.I22.r2S = m2.I22.r2.1−ss

Khi qui đổi công suất cơ trên trục đợc thể hiện bằng công suất điện đợc toả

ra trên điện trở r2S

3 phơng trình cân bằng điện áp máy điện không đồng bộ.

Khi cha qui đổi dây quấn roto nối ngắn mạch ⇒ U2 = 0

Gọi x1, x2 điện kháng tản của dây quấn stato, roto x11, x22 điện kháng tạo bởiluồng từ thông chính X12, x21 điện kháng tạo bởi hỗ cảm của cuộn dây stato,roto

Ta có:

U1 = -E1+I1.Z1 = jx11.I1+jx21I2 + jI1x1 + I1.r1 (1)

U2 = 0 = -E2s + I2s = jx22.s.I2 + jx12sI1 + jx2.s.I2 + I2r2 (2)

Khi đã qui đổi

Chia cả hai vế của (2) cho s, nhân cả hai vế với kU, kI và thay I2 = KI.I2’

Nhánh sơ cấp, nhánh từ hoá, nhánh thứ cấp

-Trong đó r0 là điện trở mà tổn hao trên nó bằng tổn hao thép