Chương 2:tìm hiểu về máy biến áp-haui

Từ các cơng thức trên cho ta thấy,cùng một cơng suất truyền tải trên đường dây,nếu điện áp truyền tải càng cao thì dịng điện chạy trên đường dây sẽ càng bé lại,do đĩ trọng lượng và chi p

KHOA ĐIỆN

@&?

BÀI TẬP LỚN

Môn:Máy Điện

Đề Tài:Tìm Hiểu Về Máy Biến Áp

Giáo viên hướng dẫn: Phạm Văn Cường Nhóm thực hành: Nhóm 3- Lớp Điện Tử – K9 Sinh viên: Nguyễn Viết Long

Đỗ Xuân Tùng

Hà Nội:16-11-2016

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG I :MÁY BIẾN ÁP 5

1 Giới thiệu tổng quan 5

2.Cấu Tạo 6

a.Lõi thép 7

b.Dây quấn sơ cấp (Primary Winding) 7

c.Dây quấn thứ cấp (Second Winding) 7

3 Công dụng của máy biến áp 9

4.Các đại lượng định mức 9

5.Nguyên lý làm việc 10

6.Các quan hệ đại từ trong máy biến áp 11

a.Phương trình cân bằng điện áp 11

b.Phương trình cân bằng sức từ động 12

c.Mạch điện tương đương của máy biến áp 12

7.Xác định các tham số của máy biến áp 14

a.Thí nghiệm không tải 14

b.Thí nghiệm ngắn mạch 15

c.Độ biến thiên điện áp theo tải 17

8.Tổn hao và hiệu suất của máy biến áp 17

9.Máy biến áp ba pha 18

a.Các kiểu nối ba pha 18

b.Tỷ số biến áp 20

10.Máy biến áp ba pha 21

a.Máy biến áp 3 pha mạch từ riêng 21

b.Máy biến áp 3 pha mạch từ chung 21

c.Tổ nối dây của máy biến áp 3 pha 22

11.Đấu song song với máy biến áp 23

a.Khái Niệm 23

b.Điều kiện đấu song song 23

12.Các loại máy biến áp đặc biệt 24

a.Máy biến áp tự ngẫu (auto tranformer) 24

b.Máy biến áp đo lường 25

c.Máy biến áp hàn 30

LỜI NĨI ĐẦU

Việc tổ chức biên soạn giáo trình phục vụ cho đào tạo các ngành Điện – Điện tửcủa nhà trường là sự cố gắng lớn của tập thể giáo viên của Khoa Điện - Điện tử nhằmtừng bước thống nhất nội dung dạy và học ở Trường Đại Học Cơng Nghiệp Hà Nội

Nội dung của giáo trình đã được xây dựng trên cơ sở kế thừa những nội dung đượcgiảng dạy ở các trường, kết hợp với những nội dung mới nhằm đáp ứng yêu cầu nângcao chất lượng đào tạo phục vụ sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá

Giáo trình được biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, bổ sung nhiều kiến thức mới Nộidung giáo trình gồm 5 bài:

 Bài 1: Khái niệm chung về máy điện

 Bài 2: Máy biến áp

 Bài 3: Máy điện không đồng bộ

 Bài 4: Máy điện đồng bộ

 Bài 5: Máy điện một chiều

Tuy nhiên tác giả đã có nhiều cố gắng khi biên soạn, nhưng giáo trình khôngtránh khỏi những khiếm khuyết Tác giả đề nghị các đọc giả sử dụng giáo trình bổsung cho nguồn giáo trình đang rất thiếu hiện nay, nhằm phục cho việc dạy và họccủa các sinh viên được tốt hơn

Hy vọng nhận được sự góp ý của quý đọc giả để những cuốn giáo trình được biênsoạn tiếp hoặc tái bản sau có chất lượng tốt hơn

CHƯƠNG I :MÁY BIẾN ÁP

1 Giới thiệu tổng quan.

Hình 1 : Trạm biến áp

-Vai trị và cơng dụng

Để dẫn điện từ nhà máy phát điện đến hộ tiêu thụ cần phải cĩ đương dây tải điện.Nếu khoảng cách từ nơi sản xuất đến hộ tiêu thụ lớn,một vấn đề đặt ra là việc truyền tảiđiện năng đi xa làm sao cho kinh tế nhất

Ta cĩ dịng điện truyền tải trên đường dây :

I=P/(Ucosj)

Và tổn hao cơng suất trên đường dây :

rP=Rd.I2=Rd.P2/(U2.cos2j)

Trong đĩ :P là cơng suất truyền tải trên đường dây ;U là điện áp truyền tải của lướiđiện.Rd là điện trở đường dây tải điện và cosj là hệ số cơng suất của lưới điện, cịn j là

gĩ lệch pha giữa dịng điện I và điện áp U

Từ các cơng thức trên cho ta thấy,cùng một cơng suất truyền tải trên đường

dây,nếu điện áp truyền tải càng cao thì dịng điện chạy trên đường dây sẽ càng bé lại,do

đĩ trọng lượng và chi phí dây dẫn sẽ giảm xuống,tiết kiệm được kim loại màu,đồng thời tổn hao năng lượng trên đường sẽ giảm xuống.Vì thế muốn truyền tải cơng suất lớn đi xa

ít tổn hao và tiết kiệm kim loại màu người ta phải dùng điện áp cao,thường là

35,110,220,500kV.Trên thực tế các máy phát điện chỉ phát ra điện áp từ 3÷ 21kV,do đĩ phải cĩ thiết bị tăng điện áp thấp,từ 0.4÷6Kv,vì vậy cuối đường dây phải cĩ thiết bị giảm điện áp xuống.thiết bi dùng để tăng điện áp ở đầu đoạn dây và giảm điện áp cuối đường dây gọi là máy biến áp (MBA)

Máy biến áp ra đời ở nước ta từ rất sớm,máy biến áp chủ yếu được sử dụng trong điện lực để nâng cao điện áp của mạng điện khi truyền tải điện năng đi xa.Khi đến các bộ tiêu thụ,máy biến áp làm giảm điện áp xuống mức phù hợp với phụ tải cần sử dụng

Khuynh hướng phát triển hiện nay của máy biến áp là dùng các loại vật liệu cĩ từngtính tốt,tổn hao sắt từ thấp đến cao để nâng cao cơng suất truyền tải của máy biến áp và giảm nhỏ kích thước.Đơng thời sủ dụng vật liệu dẫn điện là dây nhơm thay cho dây đồng

đẻ giảm khối lượng trong máy bến áp

Nếu U1 > U2 : Máy biến áp giảm áp

U1 < U2 : Máy biến áp tăng áp

2.Cấu Tạo

Máy biến áp bao gồm ba phần chính:

Lõi thép của máy biến áp (Transformer Core)

Cuộn dây quấn sơ cấp (Primary Winding)

Cuộn dây quấn thứ cấp (Secondary Winding)

ra với một nửa của mỗi cuộn đặt trên một trụ của lõi thép

Loại máy biến áp này ít được sử dụng rộng rãi, thường được sử dụng ở điện ápcao hoặc ở nơi cách điện giữa các cuộn dây trở nên là một vấn đề cần quantâm

o Loại bọc: được tạo bởi các lá thép hình chữ E và chữ I Lõi thép loại nàybao bọc các cuộn dây quấn, hình thành một mạch từ có hiệu suất rất cao, đượcsử dụng rộng rãi

Phần lõi thép có quấn dây gọi là trụ từ, phần lõi thép nối các trụ từ thành mạchkín gọi là gông từ

c.Dây quấn thứ cấp (Second Winding)

Dây quấn máy biến áp được chế tạo bằng dây đồng hoặc nhôm, có tiết diệnhình tròn hoặc hình chữ nhật Đối với dây quấn có dòng điện lớn, sử dụng các sợidây dẫn được mắc song song để giảm tổn thất do dòng điện xoáy trong dây dẫn.Bên ngoài dây quấn được bọc cách điện

Dây quấn được tạo thành các bánh dây ( gồm nhiều lớp ) đặt vào trong trụ của lõithép Giữa các lớp dây quấn, giữa các dây quấn và giữa mỗi dây quấn và lõi thépphải cách điện tốt với nhau Phần dây quấn nối với nguồn điện được gọi là dâyquấn sơ cấp, phần dây quấn nối với tải được gọi là dây quấn thứ cấp

3 Cơng dụng của máy biến áp

Máy biến áp có vai trò rất quan trọng trong hệ

Hình 2b: Máy biến áp một pha loại trụ

Hình 2a : Hình dạng máy biến áp một pha

loại trụ

Hình 2c : Hình dạng máy biến áp một pha

Hình : Lắp ráp máy biến áp

thống điện: nó dùng để truyền tải điện năng đi xa, và phân phối điện năng cho phhùhợp với các đơn vị sử dụng điện.

Nó được áp dụng rộng rãi trong các ngành kinh tế , trong nông nghiệp, trongcông nghiệp, khoa học kỹ thuật và đời sống sinh hoạt hàng ngày

Hình 3.1: sơ đồ truyền tải điện năng

4.Các đại lượng định mức.

 Điện áp dây thứ cấp định mức: U2 đm (V, kV) là điện áp dây bên thứ cấp củamáy biến áp khi không tải và điện áp đặt vào sơ cấp là định mức

cấp của máy biến áp : Sđm (VA, kVA), đặc trưng cho khả năng chuyển tải năng lượngcủa máy

o Máy biến áp 1 pha: Sđm = U1đm I1đm =U2 đm I2 đm

o Máy biến áp 3 pha: Sđm = √ 3 U1đm I1đm = √ U2 đm I2 dm

 Dòng điện dâysơ cấp định mức: I1 đm (A) tương ứng với công suất và điện ápdây định mức bên sơ cấp

√3 U 1đm (dòng điện dây và điện áp dây)

MBA tăng áp

MBA tăng áp giảm ápĐường dây truyền

 Tần số định mức: fđm(Hz) tần số nguồn điện đặt vào sơ cấp.

 Tổ nối dây của máy biến áp: cho biết kiểu nối dây sơ cấp và thứ cấp, đồngthời cho biết góc lệch pha giữa sức điện động dây sơ cấp và sức điện động dây thứcấp

Nếu thứ cấp được nối với tải Zt, trong dây quấn thứ cấp sẽ có dòng i2

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

Theo định luật cảm ứng điện từ ta có:

Hình 5 : Nguyên lý làm việc cơ bản của máy biến áp

e 1 = - W 1

dΦΦ dΦt

6.Các quan hệ đại từ trong máy biến áp.

a.Phương trình cân bằng điện áp.

Sự liên hệ giữa dòng điện và điện áp trong dây quấn máy biến áp được đặctrưng bởi phương trình cân bằng điện áp Giữa các mạch điện sơ cấp và thứ cấp luônluôn có sự liên hệ lẫn nhau thông qua từ trường trong mạch từ, mối liên hệ đó có đượclà do duy trì biên độ từ thông Φ m luôn luôn không đổi Đặc trưng cho sự liên hệ vềtừ giữa mạch điện sơ và thứ cấp trong máy biến áp là phương trình cân bằng sức từđộng (hay phương trình cân bằng từ)

Nếu đặt điện áp U1 vào sơ cấp thì từ thông Φ sẽ cảm ứng trên lõi thép sức điện

động E1 ® điện áp rơi trên điện trở I1r1 và trên điện kháng là I1x1

U1=E1+I1r1+jI1x1

=U1=-E1+IZ1

với Z1 = r1 + jx1 : tổng trở phức cuộn dây sơ cấp.

Khi thứ cấp mang tải E2® I2, điện áp rơi trên điện trở thứ cấp I2r2, I2x2 Ta có:

U¿2=−E¿2−R2I2

.

−jX 2 I2

.

r2: điện trở dây quấn thứ cấp

x2: điện kháng dây quấn thứ cấp

b.Phương trình cân bằng sức từ động.

 Khi không tải: I2 = 0

Từ thông F là do F1 = W1I0 sinh ra

W1: số vòng dây cuộn sơ cấp

I0: dòng điện sơ cấp khi không tải

 Khi có tải: I2 ¿ 0

Từ thông F là do F1 = W1I1 & F2 = W2 I2 sinh ra

mà U1 » E1 = 4,44 f.W1Fm

do U1 = const ® F = const

do đó F0 = F1 + F2 (ở chế độ có tải và không tải Fm chỉ khác nhau vài phần trăm)

Û I0W1=I1W1+I2W2 phương trình cân bằng sức từ động

W2 : tỉ số biến áp

I1=I0(-I’2)phương trình dòng điện của máy biến áp

Từ phương trình ta thấy dòng sơ cấp I1 có 2 thành phần:

 I0: thành phần không tải(dòng từ hóa) tạo nên dòng từ thông chính

 I'2: thành phần để bù tác dụng khử từ của dòng thứ cấp

Nhờ vậy giữ được biên độ từ thông Fm = const

c.Mạch điện tương đương của máy biến áp.

Giản đồ thay thế của cuộn dây, lõi thép:

Thường dùng giản đồ thay thế để đặc trưng quá trình năng lượng trong máy biếnáp và để dễ tính toán các thông số của nó, ta lập giản đồ thay thế dựa trên giản đồthay thế của cuộn dây, lõi thép và các phương trình đặc trưng của nó

Mạch điện tương đương của máy biến áp:

E'2: sức điện động thứ cấp đã qui đổi về sơ cấp

r'2: điện trở thứ cấp qui đổi về sơ cấp

x'2: điện kháng thứ cấp qui đổi về sơ cấp

Zm = rm +jxm : tổng trở mạch từ hóa

rm: điện trở mạch từ hóa đặc trưng cho tổn hao sắt từ

xm: điện kháng mạch từ hóa đặc trưng cho hỗ cảm giữa cuộn sơ cấp vàthứ cấp của từ thông F

 U2 U'2 : U'2 = kU2

7.Xác định các tham số của máy biến áp

a.Thí nghiệm khơng tải.

Trong các thí nghiệm ta có: I0 , P0 , U1 đm , U20

 Tổng trở máy biến áp lúc không tải:

, P0 : tổn hao thép PFe

 Điện kháng không tải

Máy biến áp tự ngẫu

Ngắn mạch trong thực tế máy biến áp là chế độ sự cố khi cuộn thứ cấp bị nốitắt vì nhiều nguyên nhân: dây quấn thứ cấp bị chập xuống đất, hỏng cách điện,

… trong khi đó phía sơ cấp vẫn nối với U1đm

 Dòng ngắn mạch trong máy gấp 10 - 25 lần I nên thường gây cháy dây quấn

 Điện áp U2 » 0, các phụ tải mất điện áp.

Để bảo vệ máy biến áp khi có ngắn mạch thường dùng hệ thống rơle bảo vệ tựđộng các mạch sơ cấp khi có ngắn mạch

Thí nghiệm:

Dùng máy biến áp tự ngẫu để điều chỉnh điện áp Un đặt vào dây quấn sơ cấpmáy biến áp

 Điện áp ngắn mạch Un

 Dòng điện ngắn mạch In = I1đm

 Công suất Pn đo được chính là tổn hao đồng trên dây quấn sơ cấp và dây quấnthứ cấp khi dòng tải định mức (tổn hao sắt từ không đáng kể)

 Tổng trở ngắn mạch

rn = r1 + r'2 : điện trở ngắn mạch

xn = x1 + x'2 : điện kháng ngắn mạch

 Điện áp ngắn mạch phần trăm

(điện áp ngắn mạch phản kháng phần trăm)

c.Độ biến thiên điện áp theo tải.

 Độ biến thiên điện áp thứ cấp

cos ϕ2 : hệ số công suất của tải

8.Tổn hao và hiệu suất của máy biến áp.

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

Tổn hao tải I2R trong các cuộn dây của máy biến áp và tổn hao không tải là tổn

hao trong lõi thép

Tổn hao tải phụ thuộc vào dòng điện của tải

Δ Ptải = I 1

2

r1+I22r2 = I12r1+k2I12r2=I12(r1+r2' )=I12r n=β2I 1 đm2 r n

Δ Ptải = β2P n

Tổn hao không tải hay tổn hao lõi thép phụ thuộc vào ảnh hưởng của dòng điện trễ vàdòng điện xoáy trong lõi thép của máy biến áp Tổn hao lõi thép của một máy biếnáp về cơ bản thì không đổi cho tất cả các tải khi tần số và điện áp được đặt vào máybiến áp là định mức.

 Hiệu suất của máy biến áp:

Hiệu suất của máy biến áp là tỷ số giữa công suất hữu ích ngõ ra đối với côngsuất ngõ vào Bởi vì công suất ngõ vào của một máy biến áp bằng công suất hữu íchngõ ra cộng với các tổn hao của nó nên ta có phương trình hiệu suất như sau:

Bài tập: Cho máy biến áp 1 pha: r1 = 0,5835 W ; x1 = 4,4W ; r2 = 0,037W ; x2 = 0,42W ;

U10 = 20 210V ; U20 = 6 600V ; I0 = 12,3A ; P0 = 26 600 W Tính các tham số của mạchtương đương

9.Máy biến áp ba pha

a.Các kiểu nối ba pha.

Có bốn kiểu đấu dây:

o Sơ cấp đấu tam giác, thứ cấp đấu tam giác (D/d), sử dụng cho điện áp trungbình như trong công nghiệp

Một sự thuận lợi của kiểu đấu này là nếu một máy biến áp bị hư thì hai máy biến ápcòn lạicó thể được vận hành theo kiểu đấu tam giác hở Kiểu đấu tam giác hở nàyvẫn bảo đảm đúng mối quan hệ về pha Chú ý là công suất của máy biến áp lúc này

Hình 8a : Nối D/d

giảm xuống và bằng khoảng 58% công suất khi còn đủ ba máy biến áp

Ví dụ: Công suất mỗi máy biến áp một pha là 25kVA, tổng công suất của ba máy là

75kVA Nếu một máy được tháo ra và vận hành theo kiểu đấu tam giác hở thìcông suất còn lại là75kVA×58% = 43.5kVA

Sơ cấp đấu tam giác, thứ cấp đấu sao (D/y), sử dụng phổ biến trong công nghiệp vàthương mại

Sơ cấp đấu sao, thứ cấp đấu tam giác (Y/d), sử dụng cho giảm áp

Hình 8b :Nối tam giác hở

Hình 8c :Nối D/y

Hình 8d :Nối D/y

Sơ cấp đấu sao, thứ cấp đấu sao (Y/y), rất ít được sử dụng vì vấn đề điều hoà và cânbằng

Trong các máy biến áp truyền tải điện năng, phía cao áp thường đấu Y và phía hạáp thường đấu Δ vì:

Hình 8e: Nối Y/y

 Khi dấu Y: điện áp pha nhỏ hơn điện áp dây √ 3 lần, (U p=

U dΦ

√3) , do đócác vấn đề cách điện trong máy giảm, chi phí giảm Cá cuộn dây điện ápcao của các máy biến áp hoạt động trên 100 000 V thường được đấu Y

 Khi dấu Δ 1 dòng Ip < Id √ 3 lần (U p=U dΦ

√3) , do đó đường kính dây dẫnsẽ giảm nhỏ, thuận tiện cho việc chế tạo Ởcác máy biến áp phân phốithường phía hạ áp đấu y0 để cung cấp cho phụ tải hỗn hợp: vừa cần điện ápdây, vừa cần điện áp pha

Do đó tỉ số biến áp phụ thuộc vào tỉ số vòng dây giữa sơ cấp, thứ cấp, tổ đấu dây

Ví dụ: xét tỉ số biến áp trong các trường hợp sau:

 Tổ nối dây: Y / Δ

N2) còn ở máy biến áp 3 pha còn phụ thuộc vào tổ nối dây.

10.Máy biến áp ba pha.

Máy biến áp ba pha đóng vai trò rất quan trọng trong việc truyền tải và phân phốiđiện năng Kết cấu lõi thép máy biến áp ba pha có 2 loại:

a.Máy biến áp 3 pha mạch từ riêng.

Các máy biến áp một pha có thể được nối lại với nhau để hình thành máy biếnáp ba pha

b.Máy biến áp 3 pha mạch từ chung.

Loại máy biến áp mạch từ chung có kết cấu gọn, sử dụng khối lượng mạch từ ít hơn

so với máy biến áp mạch từ riêng cùng công suất, nhưng việc lắp đặt, sửa chữa phảitiến hành trên toàn bộ máy

Ngoài hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, tuỳ theo chức năng, yêu cầu kỹthuật và công suất mà máy biến áp điện lực có thùng máy, bình giãn dầu, ống bảohiểm, các sứ cách điện,…

ngoài mà không phá vỡ vỏ máy

 Sứ cách điện: dùng đưa nguồn vào máy biến áp và đưa nguồn từ máy biến ápra

Hình 10b: Máy biến áp ba pha

c.Tổ nối dây của máy biến áp 3 pha.

Tổ nối dây của máy biến áp biểu thị góc lệch pha giữa sức điện động dây sơ cấpvà sức điện động dây thứ cấp, phụ thuộc vào các yếu tố:

 Ký hiệu các đầu dây

 Dây quấn cao áp + Dây quấn hạ áp

 Kiểu đấu dây quấn ở sơ cấp và thứ cấp.

 Xác định tổ nối dây:

 Kiểu đấu dây® vẽ đồ thị vectơ sức điện động dây quấn sơ cấp và sức điện độngdây quấn thứ cấp

 Xác định vectơ điện áp dây sơ cấp và thứ cấp

 sức điện động dây sơ cấp được biểu thị bằng kim dài của đồng hồ và đặt ở vị trí số 12

 Căn cứ vào góc lệch pha giữa sức điện động dây sơ cấp và sức điện động dây thứcấp để biểu thị sức điện động dây thứ cấp bằng kim ngắn của đồng hồ ở vị trí tươngứng với góc độ đó theo chiều thứ tự pha

Ví dụ1: xác định tổ đấu dây của máy biến áp sau:

11.Đấu song song với máy biến áp.

a.Khái Niệm

Để nâng cao công suất của lưới điện đảm bảo phục vụ sản xuất đạt hiệu quảkinh tế tốt nhất và đảm bảo an toàn khi cung cấp điện hoặc khi có sự cố hỏng hóc mộtmáy biến áp nào đó cần phải khắc phục, xử lý và sửa chữa mà không ảnh hưỡng gìđến cung cấp điện người ta cần đấu vận hành các máy biến áp song song với nhau