Giáo trình Máy điện 1 - Chương 2: Nguyên lý máy biến áp

Giáo trình giới thiệu tới người đọc các nội dung: Khái niệm chung về máy biến áp, cấu tạo máy biến áp, nguyên lý làm việc của máy biến áp, tổ nối dây máy biến áp, mạch từ của máy biến áp, chế độ không tải của máy biến áp. Mời các bạn cùng tham khảo.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN

BỘ MÔN: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

MÁY ĐIỆN 1

2008

Chương 2

NGUYÊN LÝ MÁY BIẾN ÁP

2.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP

2.1.1 Vai trò và công dụng

Để dẫn điện từ nhà máy phát điện đến hộ tiêu thụ cần phải có đường dây tải điện (hình 2-1) Thông thường khoảng cách từ nơi sản xuất điện đến hộ tiêu thụ lớn, một vấn đề đặt ra là việc truyền tải điện năng đi xa làm sao cho đảm bảo chất lượng điện áp và kinh tế nhất

Giả sử hộ tiêu thụ có công suất P, hệ số công suất cos, điện áp của đường dây truyền tải là U, thì dòng điện truyền tải trên đường dây là :



 cos U

P I

Và tổn hao công suất trên đường dây:









2 2

2 2

cos U

P R

I R

Trong đó: Rd là điện trở đường dây tải điện và cos là hệ số công suất của lưới điện, còn  là góc lệch pha giữa dòng điện I và điện áp U

Từ các công thức trên cho ta thấy, cùng một công suất truyền tải trên đường dây, nếu điện áp truyền tải càng cao thì dòng điện chạy trên đường dây sẽ càng bé,

do đó trọng lượng và chi phí dây dẫn sẽ giảm xuống, tiết kiệm được kim loại màu, đồng thời tổn hao năng lượng trên đường dây sẽ giảm xuống Mặt khác để đảm bảo chất lượng điện năng trong hệ thống điện, với đường dây dài không thể truyền dẫn ở điện áp thấp Vì thế, muốn truyền tải công suất lớn đi xa người ta phải dùng điện áp cao, thường là 35, 110, 220, 500kV Trên thực tê, các máy phát điện chỉ phát ra điện áp từ 3  21kV, do đó phải có thiết bị tăng điện áp ở đầu đường dây Mặt khác các hộ tiêu thụ thường yêu cầu điện áp thấp, từ 0.4  10kV, vì vậy cuối đường dây phải có thiết bị giảm điện áp xuống Thiết bị dùng để tăng điện áp ở đầu đường dây và giảm điện áp cuối đường dây gọi là máy biến áp (MBA) Như vậy MBA dùng để truyền tải và phân phối điện năng

Nguyên lý làm việc của máy biến áp dựa trên các công trình của Michael Faraday Ông đã phát hiện ra hiện tượng cảm ứng điện từ, thể hiện ở chỗ cho hai



MBA gỉam áp

MBA tăng áp

Đường dây tải điện

Máy phát điện

Hộ tiêu thụ điện

Hình 2-1 Sơ đồ cung cấp điện đơn giản

cuộn dây có liên hệ từ, khi thay đổi dòng điện trong một cuộn thì trong cuộn kia xuất hiện sđđ cảm ứng Sđđ cảm ứng này được gọi là sđđ biến áp và các cuộn dây

bố trí kiểu này được gọi là máy biến áp

2.1.2 Định nghĩa

Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp nầy thành một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp khác, với tần số không thay đổi

2.2 CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP

Cấu tạo MBA gồm ba bộ phận chính (hình 2-2): lõi thép, dây quấn và vỏ máy

2.2.1 Lõi thép máy biến áp

Lõi thép MBA dùng để dẫn từ thông, được chế tạo bằng các vật liệu dẫn từ tốt, thường là thép kỹ thuật điện, có bề dày từ 0,35 1 mm, mặt ngoài các lá thép có phủ sơn cách điện rồi ghép lại với nhau thành lõi thép Lõi thép gồm hai phần:

Trụ và Gông Trụ T là phần để đặt dây quấn còn gông G là phần nối liền giữa các

trụ để tạo thành mạch từ kín

2.2.2 Dây quấn MBA

Nhiệm vụ của dây quấn MBA là nhận năng lượng vào và truyền năng lượng

ra Dây quấn MBA thường làm bằng dây dẫn 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 thép Giữa các vòng dây, giữa các dây quấn và giữa dây quấn và lõi thép đều có cách điện Máy biến áp thường có hai hoặc nhiều dây quấn Khi các dây quấn đặt trên cùng một trụ thì dây quấn điện áp thấp đặt sát trụ thép còn dây quấn điện áp cao đặt bên ngoài Làm như vậy sẽ giảm được vật liệu cách điện

G

G

G

G

G

Hình 2-2 Mạch từ MBA một pha a) kiểu trụ b) kiểu bọc

Dây quấn cao áp

Dây quấn hạ áp

DDây quấn MBA có hai loại chính như :

a Dây quấn đồng tâm : ở dây quấn đồng tâm tiết diện ngang là những vòng

tròn đồng tâm Những kiểu dây quấn đồng tâm chính gồm : Dây quấn hình trụ (hình 3a,b), dùng cho cả dây quấn hạ áp và cao áp; Dây quấn hình xoắn (hình 2-3c), dùng cho dây quấn hạ áp có nhiều sợi chập; dây quấn hình xoáy ốc liên tục (hình 2-3d), dùng cho dây quấn cao áp, tiết diện dây dẫn chữ nhật

b Dây quấn xem kẻ : Các bámh dây cao áp và hạ áp lần lượt xen kẻ nhau

dọc theo trụ thép

2.2.3 Vỏ MBA

Vỏ MBA làm bằng thép gồm hai bộ phận : thùng và nắp thùng

a Thùng MBA: Trong thùng MBA (hình 2-4) đặt lõi thép, dây quấn và dầu

biến áp Dầu biến áp làm nhiệm vụ tăng cường cách điện và tản nhiệt Lúc MBA làm việc, một phần năng lượng tiêu hao thoát ra dưới dạng nhiệt làm dây quấn, lõi thép và các bộ phận khác nóng lên Nhờ sự đối lưu trong dầu và truyền nhiệt từ các bộ phận bên trong MBA sang dầu và từ dầu qua vách thùng ra môi trường xung quanh

b Nắp thùngMBA: Dùng để đậy trên thùng và trên đó có các bộ phận quan

trọng như sau:

+ Sứ ra của dây quấn cao áp và dây quấn hạ áp

+ Bình dãn dầu (bình dầu phụ) có ống thủy tinh để xem mức dầu

+ Ống bảo hiểm : làm bằng thép, thường làm thành hình trụ nghiêng, một đầu nối và thông với thùng, một đầu bịt bằng một đĩa thuỷ tinh Nếu vì lý do nào

đó, áp suất trong thùng tăng lên đột ngột, đĩa thuỷ tinh sẽ vỡ, khí chứa trong máy biến áp theo đó thoát ra ngoài để máy biến áp không bị hỏng

Hình 2-3 Dây quấn Máy biến áp

+ Lỗ nhỏ đặt nhiệt kế

+ Rơle hơi dùng để bảo vệ MBA

+ Bộ truyền động cầu dao đổi nối các đầu điều chỉnh điện áp của dây quấn cao áp

Để hiểu rõ hơn về máy biến áp ta xem hình dáng bên ngoài máy biến áp ba pha hai dây quấn công suất 250kVA, điện áp 22/0.4kV của nhà máy Thiết bị điện (hình 2-5)

2.2.4 Các đại lượng định mức MBA

Các đại lượng định mức của MBA qui định điều kiện kỹ thuật của máy Các đại lượng nầy do nhà máy chế tạo qui định và ghi trên nhãn của MBA

1 Dung lượng (công suất định mức) Sđm [VA hay kVA] là công suất toàn phần hay biểu kiến đưa ra ở dây quấn thứ cấp của MBA

2- Điện áp sơ cấp định mức U1đm [V hay kV] là điện áp của dây quấn sơ cấp

Hình 2-4 Máy biến áp dầu ba pha 16000kVA/110kV

1 móc vận chuyển; 2- Sứ cao áp 110kV; 4 Sứ trung áp 38.5kV; 5 Sứ hạ áp 10.5kV; 7 Ông phòng nổ; 8 Bình giãn dầu; 10 Thước chỉ dầu; 12- Xà ép gông; 13 Bình hút ẩm; 16 Dây quấn cao áp; 18 Bộ lọc đối lưu; 22- Võ thùng; 23.Bộ tản nhiệt; 24 Cáp cấp điện cho động cơ;

25 Động cơ qụat gió làm mát 26 Bộ truyền động chuyển mạch

3 Điện âp thứ cấp định mức U2đm [V hay kV] lă điện âp của dđy quấn thứ cấp khi MBA đầy tải vă điện âp đặt văo dđy quấn sơ cấp lă định mức

Chú ý: Ở Việt Nam hiện nay qui định, điện âp thứ cấp định mức U2đm lă điện

âp của dđy quấn thứ cấp khi MBA không tải vă điện âp đặt văo dđy quấn sơ cấp lă định mức Có một số MBA đang vận hănh trong câc trạm được chế tạo như vậy

4 Dòng điện sơ cấp vă thứ cấp định mức I1đm, I2đm [A hay kA] lă những dòng điện của dđy quấn sơ cấp vă thứ cấp ứng với công suất vă điện âp định mức

Đối với MBA một pha:

m 1

m m

1 U

S I

đ

đ

m 2

m m

2 U

S I

đ

đ

Đối với MBA ba pha:

m 1

m m

1

U 3

S I

đ

đ

m 2

m m

2

U 3

S I

đ

đ

Chú ý : Nếu MBA lă ba pha thì dòng điện vă điện âp định mức ghi trín nhên

MBA lă dòng điện vă điện âp dđy

5 Tần số định mức fđm[Hz] Câc MBA điện lực có tần số công nghiệp 50Hz Ngoăi ra trín nhên MBA còn ghi câc số liệu khâc như : số pha m, sơ đồ nối dđy vă tổ nối dđy

2.2.5 Câc loại mây biến âp chính

1 MBA điện lực dùng để truyền tải vă phđn phối công suất trong hệ thống điện lực

Hình 2-5 MBA dầu ba pha, hai dây

2- MBA chuyên dùng cho các lò luyện kim, cho các thiết bị chỉnh lưu, máy biến

áp hàn

3 MBA tự ngẫu dùng để liên lạc trong hệ thống điện, mở máy động cơ không đồng bộ công suất lớn

4 MBA đo lường dùng để giảm điện áp và dòng điện lớn đưa vào các dụng cụ

đo tiêu chuẩn hoặc để điều khiển

5 MBA thí nghiệm dùng để thí nghiệm điện áp cao

MBA có rất nhiều loại song thực chất hiện tượng xảy ra trong chúng đều giống nhau Để thuận tiện cho việc nghiên cứu, sau đây ta xét MBA điện lực một pha hai dây quấn

2.3 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP

Ta xét sự làm việc của một máy biến áp lí tưởng, là máy biến áp có các tính chất sau:

- Cuộn dây không có điện trở

- Từ thông chạy trong lõi thép móc vòng với hai dây quấn, không có từ thông tản và không có tổn hao trong lõi thép

- Độ từ thẩm của thép rất lớn, nên dòng từ hoá cần phải có để sinh ra từ thông trong lõi thép là rất nhỏ, có thể bỏ qua Do vậy stđ cần để sinh ra từ thông trong lõi thép cho bằng không

Hình 2-6 vẽ sơ đồ nguyên lý của MBA một pha gồm lõi thép và hai dây quấn Dây quấn sơ cấp có số vòng dây N1 được nối với nguồn điện áp xoay chiều và các

đại lượng phía dây quấn sơ cấp thường ký hiệu có chỉ số 1 kèm theo như u1, i1, e1, Dây quấn thứ cấp có N2 vòng dây, cung cấp điện cho phụ tải Zt và các đại lượng

phía dây quấn thứ cấp có chỉ số 2 kèm theo như u2, i2 , e2,

Khi đặt điện áp u1 lên dây quấn sơ cấp, trong dây quấn sơ cấp sẽ có dòng điện i1 chảy qua, trong lõi thép sẽ sinh ra từ thông  móc vòng với cả hai dây quấn Từ thông này cảm ứng trong dây quấn sơ và thứ cấp các sđđ e1 và e2- Dây quấn thứ cấp có tải sẽ sinh ra dòng điện i2 đưa ra tải với điện áp u2- Như vậy năng

Hình 2-6 Nguyên lý làm việc của máy biến áp có hai dây quấn

2

u1

M

+

_

Phụ tải +

_

u2

lượng của dòng điện xoay chiều đã được truyền từ dây quấn sơ cấp sang dây quấn thứ cấp

Giả thử điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là hình sin, thì từ thông  do nó sinh

ra cũng là hàm số hình sin và có dạng :

t sin

max 





Theo định luật cảm ứng điện từ, các sđđ cảm ứng e1, e2 sinh ra trong dây quấn

sơ cấp và thứ cấp MBA là:

) 90 t sin(

E 2 ) 90 t sin(

N dt

d N

) 90 t sin(

E 2 ) 90 t sin(

N dt

d N

trong đó, E1, E2 là trị số hiệu dụng của sđđ sơ cấp và thứ cấp, cho bởi:

max 1 max

1 max

1

1 2fN 4,44fN

2

N

max 2 max

2 max

2

2

N

Tỉ số biến áp a của MBA:

2

1

2

1

N

N E

E

Do giả thiết MBA là lý tưởng, nên bỏ qua sụt áp gây ra do điện trở và từ thông tản của dây quấn, như vậy thì E1 = U1 và E2 = U2 :

2

1

2

1

2

1

U

U N

N E

E

Và công suất trong MBA thì:

U1I1 = U2I2 Như vậy, ta có:

I

I U

U

1

2

2

Nếu số nòng N2 > N1 thì điện áp U2 > U1 và I2 < I1 : MBA tăng áp

Nếu số vòng N2 < N1 thì điện áp U2 < U1 và I2 > I1 : MBA giảm áp

Điện áp trên tải bằng dòng điện thứ cấp nhân với tổng trở tải Zt:

Nên tổng trở vào ZV của máy biến áp lý tưởng là:

t 2

2 2 2

2

1

1

1

I

U N

N I

U













Mạch điện thay thế của máy biến áp lý tưởng trong trường hợp này được trình bày trên hình 2-7a,b

a2

Zt

(b)

1

U 

Zt 2

U 

2 I

(a)

1

U 

1 I

1

I

VÍ DỤ 2-1

Một máy biến áp một pha có công suất Sđm = 15kVA, U1đm = 2400V, U2đm = 240V, f = 60Hz, tiết diện ngang của lõi thép và chiều dài trung bình của mạch từ tương ứng là 50cm2 và 66,7cm Khi đặt vào dây quấn sơ cấp điện áp 2400V thì cường độ từ trường là 450At/m và từ cảm cực đại 1,5 T Xác định :

a Tỉ số biến áp

b Số vòng dây của mỗi dây quấn

c Dòng điện từ hoá để sinh ra từ thông trong lõi thép

Bài giải

a Tỉ số biến áp (vòng)

10 240

2400 2

1 2

1 2



U

U N

N E

E

b Số vòng dây của mỗi dây quấn

Từ thông cực đại trong lõi thép :

Wb 10 5 , 7 10 50 5 , 1 S

max



 









Số vòng của dây quấn sơ và dây quấn thứ :

max

1 1

max 1 1

f 44 , 4

E N

fN 44 , 4 E











1201 10

5 7 60 44 4

2400

3

, ,

N2 = N1/10 = 1201/10 = 120 vòng

c Dòng điện từ hoá để sinh ra từ thông trong lõi thép

Ta có công thức :

l

I N

H 1 M Trong đó : H là cường độ từ trường

N1 là số vòng dây của dây quấn sơ

IM là dòng điện từ hoá

l là chiều dài trung bình của lõi thép

Thế các thông số vào, ta được dòng điện từ hoá :

A 25 , 0 1201

667 , 0 450 N

l H I

1

2.4 TỔ NỐI DÂY MÁY BIẾN ÁP

Để MBA ba pha có thể làm việc được các dây quấn pha sơ cấp và thứ cấp phải được nối với nhau theo một qui luật nhất định Ngoài ra, sự phối hợp kiểu nối dây quấn sơ cấp với kiểu nối dây quấn thứ cấp cũng hình thành các tổ nối dây quấn khác nhau Hơn nữa khi thiết kế MBA, việc quyết định dùng tổ nối dây quấn cũng phải thích ứng với kết cấu của mạch từ để tránh những hiện tượng không tốt như : sđđ pha không sin, tổn hao phụ tăng,

2.4.1 Cách ký hiệu các đầu dây

Một cuộn dây có hai đầu tận cùng: một đầu gọi là đầu đầu; còn đầu kia gọi

là đầu cuối Đối với dây quấn MBA một pha : Đầu đầu hoặc đầu cuối chọn tùy ý

Đối với dây quấn MBA ba pha, các đầu đầu và đầu cuối chọn một cách thống nhất theo một chiều nhất định Giả sử dây quấn pha A đã chọn đầu đầu đến đầu cuối đi theo chiều kim đồng hồ (hình 2-8a) thì dây quấn pha B và C còn lại cũng phải được chọn như vậy Điều này rất quan trọng nếu không điện áp của ba pha sẽ không đối xứng Trên hình 2-8b cho ta thấy điện áp dây và pha của MBA ba pha khi pha A ký hiệu ngược

Để đơn giản và thuận tiện cho việc nghiên cứu, người ta thường đánh dấu các đầu tận cùng lên sơ đồ dây quấn của MBA với qui ước sau dây :

Hình 2-8 Đánh dấu đầu dây MBA

A

X

B

Y

C

Z

(b)

A

B

C

A

UAB

U CA

UCA

(a)

Trung tính 0 hay N o hay n Om

2.4.2 Các kiểu đấu dây quấn

a) Đấu hình sao (Y) : Đấu ba điểm cuối X,Y,Z lại với nhau (Hình 2-9)

b) Đấu hình tam giác () : Đấu điểm đầu của pha này nối với điểm cuối pha kia (Hình 2-10)

c) Đấu zíc-zắc (Z) : Mỗi pha dây quấn MBA gồm hai nửa cuộn dây trên hai trụ khác nhau mắc nối tiếp và đấu ngược chiều nhau (Hình 2-11) Kiểu dây quấn này ít dùng vì tốn đồng nhiều hơn, loại này chủ yếu gặp trong MBA dùng cho thiết

bị chỉnh lưu

2.4.3 Tổ nối dây của MBA

Tổ nối dây MBA được hình thành do sự phối hợp kiểu đấu dây quấn sơ cấp

so với kiểu đấu dây quấn thứ cấp Nó biểu thị góc lệch pha giữa sđđ dây của dây quấn sơ cấp và sđđ dây của dây quấn thứ cấp và góc lệch pha này phụ thuộc vào

các yếu tố sau :

+ Chiều quấn dây,

+ Cách ký hiệu các đầu dây ra,

+ Kiểu đấu dây quấn sơ cấp và thứ cấp

A

X

B

Y

C

Z

Hình 2-9 Đấu hình sao

A

B

C

Hình 2-11 Đấu Zic- Zắc

A B C

X Y Z

-b

A

B

a

c

b

C

A B C

X Y Z

Hình 2-10 Đấu tam giác

C

A

B

Ta xét MBA một pha có hai dây quấn (hình 2-12): sơ cấp AX và thứ cấp ax sau đây Nếu hai dây quấn được quấn cùng chiều trên trụ thép, ký hiệu các đầu dây như nhau (hai dây quấn cùng chiều và kí hiệu tương ứng trên hình 2-12a) thì sđđ cảm ứng trong chúng khi có từ thông biến thiên đi qua sẽ hoàn toàn trùng pha nhau Khi đổi chiều quấn dây một trong hai dây quấn, ví dụ của dây quấn thứ cấp

ax (hình 2-12b) hoặc đổi kí hiệu đầu dây một trong hai dây quấn, ví dụ của dây quấn thứ cấp ax (hình 2-12c) thí sđđ cảm ứng trong chúng sẽ hoàn toàn ngược pha nhau

Như vậy tổ nối dây của MBA một pha: kể từ vector sđđ sơ cấp đến vector sđđ thứ cấp theo chiều kim đồng hồ:

+ Trường hợp hình 2-12a : góc lệch pha 360ohay 0o

+ Trường hợp hình 2-12b, c : góc lệch pha 180o

Tổ nối dây của MBA ba pha : MBA ba pha, do nối Y &  với những thứ tự khác nhau mà góc lệch pha giữa sđđ dây sơ

cấp và thứ cấp là 30o

, 60o, 90o, , 360o Thực tế không dùng độ để chỉ góc lệch

pha mà dùng kim đồng hồ (hình 2-13) để

biểu thị và gọi tên tổ nối dây MBA, cách

biểu thị như sau:

+ Kim dài cố định ở con số 12, chỉ sđđ sơ

cấp

+ Kim ngắn chỉ 1, 2, , 12 ứng 30o, 60o, ,

360o chỉ sđđ thứ cấp

Trường hợp MBA một pha :

+ Trường hợp hình 2-12a : I/I-12

+ Trường hợp hình 2-12b,c : I/I-6

Trường hợp MBA ba pha :

+ MBA ba pha nối Y/Y:

AX

E

Hình 2-12Sự lệch pha của MBA một pha

AX

E

AX

E

ax

E

ax

E

ax

E

A

X

a

x

A

X

a

x

A

X

x

a

Hình 2-13 Biểu thị góc lệch pha