Máy điện 1 - Chương 5

Máy điện một chiều(MĐ1C) hiện ngày càng chiếm vị trí quan trọng trong sản xuất và đời sống. Nó dùng làm động cơ điện, máy phát điện hoặc tổ hợp máy, thiết bị điện một chiều chuyên dụng. Cô

Chương 5

5.1 MBA BA DÂY QUẤN

MBA ba dây quấn là MBA có một dây quấn sơ và hai dây quấn thứ, dùng để cung cấp điện cho các lưới điện có điện áp khác nhau, ứng với các tỉ số biến đổi :

2

1 2

1

N U

U

a   ;

3

1 3

1

N U

U

Ưu điểm của MBA ba dây quấn so với MBA hai dây quấn :

1 Giá thành sản xuất rẻ hơn MBA hai dây quấn

2 Mặt bằng chiếm chỗ bé hơn

3 Liên tục truyền tải năng lượng từ dây quấn sơ sang hai dây quấn thứ hoặc truyền từ dây quấn thứ nầy sang dây quấn thứ khác

4 Tổn thất năng lượng bé hơn MBA hai dây quấn khoảng chừng hai lần

Khuyết điểm của MBA ba dây quấn so với MBA hai dây quấn :

1 Độ tin cậy của MBA ba dây quấn bé hơn MBA hai dây quấn vì sự cố trong MBA thì phía thứ cấp của hai lưới sẽ mất điện

2 Việc bố trí đầu ra của MBA ba dây quấn phức tạp hơn MBA hai dây quấn

Cũng như máy biến áp hai dây quấn, người ta chế tạo máy biến áp ba dây quấn theo kiểu tổ máy biến áp ba pha hoặc máy biến áp ba pha ba trụ, ở mỗi pha đặt

ba dây quấn như hình 5.1 Tiêu chuẩn tổ nối dây MBA ba dây quấn Y0/Y0/-12-11

và tổ MBA ba pha hay MBA ba pha ba trụ Y0//-11-11

2

U

1

2

I

1

Hình 5.1 MBA ba dây quấn

T

Theo qui định tiêu chuẩn về công suất chế tạo MBA ba dây quấn:

S1đm/S1đm S2đm/S1đm S3đm/S1đm

5.1.1 Phương trình cơ bản, mạch điện thay thế, đồ thị vectơ của MBA 3 dây quấn

Quá trình điện từ trong MBA ba dây quấn được mô tả mhư MBA hai dây quấn, tất cả các đại lượng của hai dây quấn thứ 2, 3 quy đổi về số vòng của dây quấn sơ:

1

2 2

' 2

N

N I

I  ;

1

3 3

' 3

N

N I

I  ;

2

1 2

' 2

N

N U

U  ;

3

1 3

' 3

N

N U

U 

Cũng như MBA hai dây quấn, dòng từ hóa MBA ba dây quấn rất nhỏ được xác định :

0 I I I

3

' 2

1      

Sđđ hổ cảm :

m

o ' 2

I E

E    với Ym = Gfe - jBm Điện kháng tản trong mỗi dây quấn:

1 t

X   ; X 2   L t 2 ; X 3   L t 3 Điện kháng tản: X1, X2, X3 là điện kháng tản tương đương của dây quấn, được tìm thấy khi có tính đến ảnh hưởng của các dây quấn khác (Ngẫu hợp từ thông tản) Phương trình cân bằng điện áp của MBA ba dây quấn :

1 1 1 1 1 1 1 1

' 2

' 2

' 2

' 2

' 2

' 2

' 2

' 2

'

' 3

' 3

' 3

' 3

' 3

' 3

' 3

' 3

'

U         

Tổng trở nhánh từ hoá Zm tìm được bằng tính toán hoặc thí nghiệm

Các tổng trở Z1,Z’2,Z’3, được xác định từ thí nghiệm ngắn mạch (hình 5.3) như:

Zn12 = Z1 + Z’2 = rn12 + jxn12

Zn13 = Z1 + Z’3 = rn13 + jxn13 (5.4)

Zn23 = Z’2 + Z’3 = rn23 + jxn23 Giải hệ phương trình ta tìm được :Z1 , Z’2 , Z’3

Hình 5.2 Sơ đồ thay thế MBA 3 dây quấn

1

Z1

Z2’

Zm

Z3’

1 I

0 I

'

I2

  I '3

Z1=

2

1 (Zn12 + Zn13- Zn23);

Z’2=21 (Zn12+ Zn23- Zn13); (5.5) Z’3=

2

1 (Zn13+ Zn23- Zn12)

Từ đồ thị vectơ của MBA ba dây

quấn (hình 5-4), ta thấy U’2 không

những phụ thuộc vào I’2 mà còn phụ

thuộc vào I’3 Và U’3 không những

phụ thuộc vào I’3 mà còn phụ thuộc

vào I’2

Để giảm ảnh hưởng nầy ta cần

giảm tổng trở Z1 bằng cách đặt cuộn

dây 1 vào giữa 2 dây quấn 2 và 3, lúc

đó x1 có thể có giá trị âm

5.1.2 Độ thay đổi điện áp thứ cấp MBA ba dây quấn

Dây quấn 1 và 2 :

dm

' dm

*

U

U U

U

1

2 1

12





= unr*12 cos2 + unx*12 sin2 + unr*(3) cos3 + unx*(3) sin3 (5.6)

Trong đó:

dm 1

' 2 12 n 12

*

I R

u  ;

dm 1

' 2 12 n 12

*

I X

dm 1

' 3 1 ) 3 (

*

I R

dm 1

' 3 1 ) 3 (

*

I X

Dây quấn 1 và 3 :

Un

Z1

Z3’

Z2’

Un

Z1

Z3’

Z2’

Un

Z1

Z3’

Z2’

Un

Un

Un 1

1 2

3

2

3 3

1 2

3

Hình 5.3 Sơ đồ và mạch điện thay thế khi thí nghiệm

ngắn mạch MBA ba dây quấn

Hình 5-4 Đồ thị vectơ MBA 3 dây quấn

jx1I1 jx’2I’2

E’2

r’2I’2 U’

2

I’3

I0 U’3



' dm

U U

U

1

3 1

13





= unr*13 cos3 + unx*13 sin3 + unr*(2) cos2 + unx*(2) sin2 (5.7)

Trong đó:

dm 1

' 3 13 n 13

*

I R

dm 1

' 3 13 n 13

*

I X

dm 1

' 2 1 ) 2 (

*

I R

dm 1

' 2 1 ) 2 (

*

I X

I2 , I3 : dòng điện tải

cos2 ,cos3 : hệ số công suất

5.2 MÁY BIẾN ÁP TỰ NGẪU.

MBA tự ngẫu là loại MBA mà ở đó ngoài sự liên hệ về từ còn có sự liên hệ trực tiếp với nhau về điện giữa dây quấn sơ cấp và dây quấn thứ cấp

Về cấu tạo và nguyên lý làm việc của MBA tự ngẫu tương tự MBA thông thường, chỉ khác cách đấu dây giữa hai cuộn dây sơ cấp và thứ cấp Trên hinh 5-3a, trình bày một MBA tự ngẫu có một cuộn dây với một đầu rẽ (có thể nhiều đầu) Nếu MBA tự ngẫu vận hành giảm áp thì dây quấn thứ là bộ phận của dây quấn sơ, còn tăng áp thì dây quấn sơ là bộ phận của dây quấn thứ; trên hình 5-3b, ta nối MBA tự ngẫu vận hành giảm áp như như vậy dây quấn thứ cấp là một phần của dây quấn sơ cấp, và ta gọi:

NCA = số vòng dây phía điện áp cao

NCA = số vòng dây phía điện áp thấp

Tỉ số biến áp là:

HA

CA HA

CA

N

N U

U

 hay là

CA

HA CA

N U

U 

Ở MBA tự ngẫu, ta thay đổi vị trí tiếp điểm trượt, sẽ thay đổi được số vòng dây

NHA và do đó thay đổi được điện áp UHA Vì thế máy biến áp tự ngẫu dùng để điều chỉnh điện áp ra liên tục

MBA tự ngẫu một pha công suất nhỏ được dùng trong các phòng thí nghiệm và trong các thiết bị điện có yêu cầu điều chỉnh điện áp ra liên tục MBA tự ngẫu ba pha thường dùng để điều chỉnh điện áp khi mở máy các động cơ điện không đồng

bộ ba pha công suất lớn nhằm giảm dòng điện mở máy và dùng để liên lạc trong hệ thống điện có các cấp điện áp gần nhau như : 110-220; 220-500; 330-750 kV Ngoài

ra MBA tự ngẫu dùng rộng rãi làm nguồn cho các thiết bị điện sinh hoạt

Hình 5-5 Máy biến áp tự ngẫu một pha

(a) mạch điện cơ bản; (b) nối để vận hành giảm áp

Tải

NHA

(a)

(b)

Còn khuyết điểm của MBA tự ngẫu là dây quấn cao áp và dây quấn hạ áp

không được cách ly về điện nên độ an toàn thấp Chẳng hạn, nếu máy tự biến áp bị

sự cố trên đoạn AX ở hình 5.3a, đoạn nầy bị đứt như vậy gần như tải chịu toàn bộ điện áp cao áp, rất nguy hiểm, nên khi vận hành với lưới điện trung tính MBA tự ngẫu phải nối đất nếu không sẽ không an toàn; vì điện áp un nhỏ nên dòng điện In

tương đối lớn; MBA tự ngẫu yêu cầu cách điện cao hơn MBA thường

Trên hình 5-6a trình bày MBA hai dây quấn, dây quấn sơ cấp có 80 vòng được nối với nguồn có điện áp 240V và dây quấn thứ cấp có 20 vòng được nối với tải có điện trở 1 Điện áp và dòng điện của dây quấn sơ cấp và thứ cấp như trình bày trên hình 5-6a, còn tỉ số biến áp xác định từ:

~

Tải

15A

60A

NA

NB=20vg

(a)

240V

NA=80vg

NB

4 20

80 N

N N

N a

B

A HA



60 4

240 a

U

A 60 1

60 Z

U I

t

HA

A 15 4

60 a

I

I HA

Trên dây quấn sơ cấp ta lấy một đầu ra với số vòng bằng số vóng dây quấn thứ cấp là 20 vòng như trên hình 5-6b Trong MBA lý tưởng từ thông móc vòng cảm ứng sđđ trên 20 vòng ở dây quấn B cũng bằng 20 vòng trên đầu dây quấn A Cực tính, điện áp và dòng điện ở các đầu vào và ra cũng giống MBA hai dây quấn, nếu

ta trích một đầu ra là một phần của dây quấn cao áp là 20 vòng bằng dây quấn thứ cấp MBA hai dây quấn, như trình bày trên hình 5-6b Thử nghiệm trên hình 5-6b cho thấy, dòng điện qua tải là 60A gồm 15A dòng điện truyền dẫn trực tiếp và 45A dòng điện thông qua sự làm việc MBA Như vậy từ sơ đồ cho thấy, sự truyền tải năng lượng từ sơ cấp qua thứ cấp trong máy tự biến áp tự ngẫu bằng hai con đường:

~

Tải

80vg 20vg

Hình 5-6 Sơ đồ của MBA hai dây quấn (a) nối lại thành

MBA tự ngẫu một pha vận hành giảm áp (b)

60A

(b) 240V

điện và điện từ Còn ở các máy biến áp thông thường có dây quấn sơ cấp và thứ

cấp riêng biệt, năng lượng từ sơ cấp truyền qua thứ cấp chỉ bằng điện từ Vì thế máy

tự biến áp có ưu điểm hơn máy biến áp hai dây quấn: với cùng kích thước máy tự biến áp truyền công suất qua nhiều hơn, hiệu suất cao hơn, sụt áp ít hơn vì điện áp ngắn mạch un nhỏ Tuy nhiên UCA và UHA chênh nhau quá nhiều thì ưu điểm không

đáng kể, nên MBA tự ngẫu chỉ được dùng khi tỉ số biến áp nhỏ hơn 3:1.

Quan hệ giữa tỉ số vòng và công suất trong MBA tự ngẫu

Hình 5.6b trình bày kiểu nối dây của MBA tự ngẫu Ta thấy công suất truyền tải của MBA tự ngẫu gồm hai thành phần:

1 Truyền qua nhờ từ trường trong lõi thép

2 Truyền dẫn trực tiếp

Dung lượng thiết kế MBA tự ngẫu là dung lượng truyền dẫn nhờ từ trường:

Dung lượng MBA tự ngẫu truyền qua lúc vận hành thực tế :

Tỉ số vòng của MBA tự ngẫu (như MBA hai dây quấn, hình 5-7):

1

2 2

1 2

1 2

1

I

I E

E U

U N

N

Tỉ số biến đổi địên áp của lưới điện :

CA

HA HA

CA HA

CA

I

I U

U N

N '

Thường tỉ số a’ < 2,5, vì MBA tự ngẫu được sử dụng trong lưới điện có các cấp điện áp gần nhau như 110-220kV; 220-500kV; 330-750kV

Xét tỉ số công suất :

' a

1 1 I

U

I U U ( I U

I E S

S

CA CA

CA HA CA

CA CA

2 2 tt

Như vậy kiểu MBA tự ngẫu có lợi hơn về công suất trong thiết kế MBA nên được dùng trong thực tế

VÍ DỤ 5-2

Một MBA tự ngẫu một pha vận hành giảm áp, dây quấn cao áp CA có 400 vòng, hạ

áp HA bằng 25% số vòng của dây quấn cao áp, cấp điện cho phụ tải có tính cảm 4,8kVA, cos = 0,85 (chậm sau), điện áp vào 2400V, 60Hz Bỏ qua tổn hao và từ thông tản trong máy, hãy xác định: (a) dòng điện tải; (b) dòng điện vào; (c) dòng điện trong cuộn dây chung; (d) công suất truyền dẫn trực tiếp và công suất thiết kế (truyền dẫn thông qua từ trường trong MBA)

Bài giảiSơ đồ trình bày trên hình VD 5-1

a Dòng điện tải (HA):

4 400 25 , 0

400 N

N

a

HA







Hình 5.7 Sơ đồ của MBA tự ngẫu

một pha theo VD 5-2

UCA

UHA

x a

A

X

E1I1

E2 I2

U1,N1

U2,N2

V 600 4

2400 a

U

A 8 600

4800 H

S I

HA

tt

b Dòng điện cao áp CA:

A H

S I

CA

tt

2400

4800







c Dòng điện cuộn dây chung (thiết kế): I2  IHA  ICA  8  2  6 A

d Công suất:

- Công suất truyền dẫn trực tiếp: Std  U2I1  600  2  1200 VA

- Công suất thiết kế: Stk  U2I2  600  6  3600 VA

5.3 MÁY BIẾN ÁP ĐO LƯỜNG

5.3.1 Máy biến điện áp

Máy biến điện áp (hình 5.6a) dùng để biến điện áp cao thành điện áp nhỏ để đo lường và điều khiển Công suất máy biến điện áp 251000VA

Máy biến điện áp có dây quấn sơ nối với lưới điện và dây quấn thứ nối với Vôn mét, cuộn dây áp của Watt kế, cuộn dây của các rơle bảo vệ, hoặc các thiếc bị điều khiển khác (hình 5.6b) Các loại dụng cụ nầy có tổng trở Z rất lớn nên máy biến điện áp xem như làm việc ở chế độ không tải, do đó sai số về trị số nhỏ và bằng :

100 U

U N

N U

% U

1

1 2

1



Góc u giữa U1 và U’2 (hình 5.6c) cũng nhỏ

 u

U1 U’2

Hình 5.6 Máy biến điện áp

(a)

U1

U2

(b)

V W

(c)

Cấp chính xác và sai số của mbđa :

Sai số u  20’  40’ K0 qui định Chú ý : Khi sử dụng mbđa không được nối tắt mạch thứ cấp vì nối tắt mạch thứ cấp tương đương nối tắt mạch sơ cấp nghĩa là gây sự cố ngắn mạch ở lưới điện

5.3.2 Máy biến dòng điện :

Máy biến dòng điện dùng để biến dòng điện lớn thành dòng điện nhỏ để đo lường bằng các dụng cụ đo tiêu chuẩn và điều khiển

Công suất Máy biến dòng điện : 5100VA

Máy biến dòng điện (hình 5.7a) có dây quấn sơ gồm ít vòng dây mắc nối tiếp với mạch cần đo dòng và dây quấn thứ gồm nhiều vòng dây nối với ampe mét, cuộn dây dòng của Watt mét, cuộn dây của các rơle bảo vệ, hoặc các thiếc bị điều khiển khác (hình 5.7b) Các loại dụng cụ nầy có tổng trở Z rất bé nên máy biến dòng điện làm việc ở trạng thái ngắn mạch, khi đó lõi thép máy biến dòng điện không bão hòa và

 = (0.81)Wb, do đó sai số đo lường về trị số nhỏ và bằng :

100 I

I N

N I

% i

1

1 1

2



Góc i giữa I1 và I’2 (hình 5.7c) cũng nhỏ

Cấp chính xác và sai số của máy biến dòng điện :

 i

I1 I’2

Hình 5.7 Máy biến dòng điện

(a)

I1

I2

S.số i  10’  40’  80 K qui định

Chú ý : Khi sử dụng máy biến dòng điện không được dể dây quấn thứ hở mạch

vì như vậy dòng từ hóa I0 = I1 rất lớn và lõi thép bão hòa nghiêm trọng sẽ nóng lên làm cháy dây quấn, hơn nữa từ thông bằng đầu sẽ sinh ra sđđ nhọn đầu ở dây quấn thứ có thể xuất hiện điện áp cao hàng nghìn vôn làm cho dây quấn thứ và người sử dụng không an toàn

5.4 MÁY BIẾN ÁP HÀN HỒ QUANG

Là loại máy biến áp đặc biệt dùng để hàn bằng phương pháp hồ quang điện Máy được chế tạo có điện kháng tản lớn và cuộn dây thứ cấp nối với điện kháng ngoài K để hạn chế dòng điện hàn Vì thế đường đặc tính hàn rất dốc, phù hợp với yêu cầu hàn điện (hình 5.8)

Cuộn dây sơ cấp nối với nguồn điện, cuộn dây thứ cấp một đầu nối với cuộn điện kháng K rồi nối tới que hàn, còn đầu kia nối với tấm kim loại cần hàn

Máy biến áp làm việc ở chế độ ngắn mạch ngắn hạn dây quấn thứ cấp Điện áp thứ cấp định mức của máy biến áp hàn thường là 60  80V Khi dí que hàn vào tấm kim loại, sẽ có dòng điện lớn chạy qua làm nóng chỗ tiếp xúc Khi nhấc que hàn cách tấm kim lọai một khoảng nhỏ, vì cường độ điện trường lớn làm ion hóa chất khí, sinh hồ quang và tỏa nhiệt lượng lớn làm nóng chảy chỗ hàn

Để điều chỉnh dòng điện hàn, có thể thay đổi số vòng dây của dây quấn thứ cấp máy biến áp hàn hoặc thay đổi điện kháng ngoài bằng cách thay đổi khe hở không khí của lõi thép K hoặc sun từ

  

Khe hở không khí

Hình 5.8 Sơ đồ máy biến áp hàn hồ quang

U1

K

CÂU HỎI ÔN TẬP

1 Đặc điểm về cấu tạo, nguyên lý và công dụng MBA ba dây quấn

2 Đặc điểm về cấu tạo và công dụng MBA từ ngẫu

3 So sánh MBA tự ngẫu và MBA hai dây quấn cùng công suất

4 Sự khác nhau giữa nối thuận và nối ngược khi dùng trong máy biến áp tự ngẫu Tại sao trong máy biến áp tự ngẫu lại nối thuận?

5 Vẽ mạch điện của MBA tự ngẫu giảm áp nối với tải và trình bày môi liên hệ giữa điện áp và dòng điện trong các dây quấn

6 Đặc điểm về vận hành máy biến dòng điện

7 Đặc điểm về vận hành máy biến điện áp

  

BÀI TẬP

Bài tập 5-1 Một MBA ba pha ba dây quấn nối Yo/Yo/-12-11; 10000/6667/10000 kVA; 121/38,5/11kV; un12% = 15; un13% = 10,5; un23% = 6; unR12% = 1; unR13% = 0,65; un23% = 0,8 Xác định (a) các tham số và vẽ mạch điện thay thế đơn giản MBA Phía cao áp được nối với nguồn, phía điện áp trung bình có tải 3000kVA và cos2 = 0,8; dây quấn điện áp thấp có tải 6000kVA và cos3 = 0,8 Tính (b) u12%

và u13%

Đáp số: a R1 = 3,29 ; R’2 = 11,35 ; R’3 = 6,23 ;

X1 = 87,20 ; X’2 = 161,29 ; X’3 = 66,25 

b u12% = 5,7 và u13% = 5,22

Bài tập 5-2 Một MBA ba pha hai dây quấn Sđm =3200kVA; 35/6kV; 52,5/307,5A; Y/Y-12; un% = 6,94; unR% = 1,04; pfe = 9,53kW; Pn = 32,5kW Bây giờ đem nối lại thành MBA tự ngẫu Trình bày (a) cách nối dây MBA hai dây quấn thành MBA tự ngẫu Tính (b) công suất toàn phần truyền dẫn trực tiếp và công suất thiết kế MBA; (c) hiệu suất MBA ở tải định mức với cos = 0,8; (d) dòng điện ngắn mạch của MBA tự ngẫu

Đáp số: a Nối như hình 5-7

b Stt = 21867 kVA; SCA = 3200 kVA; SHA = 3200 kVA;

c  = 99,76%

d In = 30188A

Bài tập 5-1 Một MBA tự ngẫu một pha có điện áp 2300/450V, f=60Hz, vận hành

giảm áp và cung cấp cho tải có tổng trở 210o  Bỏ qua tổn hao và từ thông tản trong máy, hãy xác định: (a) dòng điện tải; (b) dòng điện vào phía cao áp; (c) dòng điện (biến đổi điện áp) trong cuộn dây chung; (d) công suất toàn phần truyền dẫn trực tiếp và công suất biến đổi (thiết kế) qua MBA

Đáp số: (a) 225A; (b) 44,02A; (c) 180,98A; (d) 81,45kVA, 19,8kVA

Bài tập 5-2 Một MBA tự ngẫu một pha vận hành tăng áp có tỉ số biến đổi điện áp

a’=4 được nối với nguồn có điện áp 600V Phía cao áp nối với tải có công suất 100kVA, hệ số công suất 0,8 ( chậm sau) Bỏ qua tổn hao và từ thông tản trong máy, hãy vẽ mạch điện và xác định: (a) điện áp phía thứ cấp; (b) dòng điện tải, (c) dòng điện trong cuộn dây sơ; (d) dòng điện trong cuộn dây sơ cấp

Bài tập 5-3 Một MBA tự ngẫu một pha có tổng số vòng là 600, trong đó dây quấn

thứ cấp là 200 vòng Phía cao áp được nối với nguồn có điện áp 2400V, f = 50Hz Dây quấn thứ nối với tải có công suất 4,8kVA, hệ số công suất 0,6 ( chậm sau) Bỏ qua tổn hao và từ thông tản trong máy, hãy xác định (a) điện áp phía thứ cấp; (b) dòng điện sơ cấp và thứ cấp; (c) công suất toàn phần truyền dẫn trực tiếp; (d) công suất thiết kế MBA; (d) từ thông cực đại trong lõi thép

Đáp số: (a) 800V; (b) 2A, 6A; (c) 1600VA; (d) 3200VA; (e) 0,015Wb

Bài tập 5-4 Một MBA tự ngẫu một pha có công suất 100kVA, 440/240V, 60Hz

cung cấp cho tải thuần trở công suất 8kW, 240V và một động cơ 10hp, 240V, 60Hz Động cơ đang vận hành 90% tải, cos=0,86 chậm sau, hiệu suất 88% Bỏ qua tổn hao và từ thông tản trong máy, hãy tính (a) công suất toàn phần mà nguồn cung cấp cho MBA; (b) công suất toàn phần truyền dẫn trực tiếp và công suất thiết kế MBA

  