Chương 4. Máy biến áp

Khi biến áp không tải bộ dây sơ cấp đóng vai trò như môt cuôn cảm, do đó chúng ta có thể tương đồng sức điện động cảm ứng ở sơ cấp với sức điện động tự cảm sinh ra trong cuôn dây khi dòn[r]

MÁY BIẾN ÁP DÙNG TRONG TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG

TRẠM BIẾN ÁP

MÁY BIẾN ÁP DÙNG TRONG

MÁY MÓC

CÔNG NGHIỆP

MÁY BIẾN

ÁP

HÀN ĐIỆN

MÁY BIẾN ÁP TỰ NGẪU 1 PHA

MÁY BIẾN ÁP 3

PHA 15KVA

Máy biến áp là một thiết

bị điện từ tĩnh dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều từ điện áp này sang điện áp khác với cùng một tần số

3.1 CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP

Cấu tạo máy biến áp gồm hai bộ phận chính là: lõi thép và dây quấn

Lõi thép

• Lõi thép được chia thành hai phần:

+ Trụ là nơi để đặt dây quấn

+ Gông là phần khép kín mạch

từ giữa các trụ

Hình 3.1 Sơ đồ cấu tạo máy biến áp một pha

b) Dây quấn: dây đồng (hoặc nhôm)

tiết diện tròn (hình chữ nhật),

có bọc cách điện.

Hình 3-3 Mặt cắt ngang dây quấn MBA

MBA có hai cuộn dây:

Cuộn sơ cấp:

là cuộn dây nhận năng lượng vào

(cuộn nối với nguồn)

3.2 NGUYÊN LÍ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP

• Nguyên lí làm việc của MBA dựa trên Định luật hiện

tượng cảm ứng điện từ của Farađây

3.2 NGUYÊN LÍ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP

3.2.1 THÔNG SỐ ĐỊNH MỨC:

a) Điện áp định mức

▪ Điện áp sơ cấp định mức U1đm: là điện áp quy định

cho dây quấn sơ cấp.

▪ Điện áp thứ cấp định mức U2đm: là điện áp giữa các

cực của dây quấn thứ cấp.

▪ Quy ước:

MBA 1 pha: điện áp định mức là điện áp pha MBA 3 pha: điện áp định mức là điện áp dây.

b) Dòng điện định mức:

Dòng điện định mức sơ cấp I1đmDòng điện định mức phía thứ cấp (ký hiệu là I2đm)

là dòng điện qui định bởi nhà sản xuất cho phép qua các

dây quấn để biến áp vận hành đạt được công suất định mức

tương ứng với điện áp định mức

Ví dụ: Tính dòng điện định mức sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp một pha 48kVA; 480/120V

Điện áp nguồn được cấp từ nguồn bằng đúng định mức:

U 1 = U 1đm

Điện áp thứ cấp lúc không tải: U 20 = U 2đm

Dòng điện qua dây quấn sơ cấp gọi là dòng không tải : I 10

• Điện áp thứ cấp là áp đặt ngang qua hai đầu tải: U2 (

U2  U20)

• Tại tải bất kỳ, dòng qua tải và dây quấn thứ cấp biến áp

là I2 , dòng điện sơ cấp là I1

• Khi dòng qua tải và dây quấn thứ cấp biến áp là I2đm

thì dòng qua sơ cấp là I1đm, tại trạng thái này ta nói

máy biến áp đang đầy tải hay tải đúng định mức

Hệ số tải Kt: biết được mức độ tải của máy biến áp so

với công suất định mức qui định bởi nhà sản xuất.

Trong đó S2 công suất biểu kiến đang cấp đến tải từ thứ

cấp biến áp: S2 = U2I2

Với định nghĩa theo trên, hệ số tải có giá trị trong

khoảng: 0  Kt  1 cần chú ý thêm các cách nói như sau:

Máy biến áp non tải (under load) khi Kt < 1 Máy biến áp đầy tải (hay tải định mức – full load) khi Kt = 1

Máy biến áp quá tải (over load) khi Kt >1 Máy biến áp đang mang nửa tải khi Kt = 0,5 Máy biến áp đang mang 36,5% tải khi Kt = 0,365

3.2.2 Nguyên lí làm việc của MBA:



Máy biến áp hoạt động khi có tải

Đặt điện áp xoay chiều u1 vào hai đầu cuộn dây sơ cấp

N1 sẽ có dòng điện i10 chạy trong dây quấn sơ cấp

Xung quanh dòng điện có từ trường, hay nói cách khác xung quanh cuộn sơ cấp có từ trường.

Do dòng điện i10 là dòng điện có độ lớn thay đổi theo quy luật hình sin nên từ trường xung quanh cuộn sơ cấp cũng biến đổi theo quy luật hình sin  sinh ra từ thông  biến

thiên hình sin chạy trong lõi thép, từ thông này xuyên qua cả hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp được gọi là từ thông chính.

Từ thông chính gây ra trong các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp các sức điện động chính là:

gọi là hệ số máy biến áp:

Bỏ qua điện trở dây quấn và từ thông tản

ra ngoài không khí, có thể coi:

Xác định số vòng dây sơ cấp và thứ cấp máy biến áp một pha 240/120V-50Hz; từ thông cực đại trong lõi thép max = 6 W m b

3.2.3 Chế độ không tải của MBA

a Mạch tương đương biến áp tại chế độ không tải

 Ngoài thành phần từ thông , ta cần chú ý đến các đường sức

từ trường không móc vòng trong lỏi thép chỉ móc vòng qua

cuộn dây sơ cấp và chạy trong không khí Thành phần này được

gọi là từ thông tản, kí hiệu t1

 Khi xét riêng phía sơ cấp, do từ thông chính  biến thiên theo

thời gian t hình thành sức điện động cảm ứng sơ cấp e1 Khibiến áp không tải bộ dây sơ cấp đóng vai trò như môt cuôncảm, do đó chúng ta có thể tương đồng sức điện động cảm ứng

ở sơ cấp với sức điện động tự cảm sinh ra trong cuôn dây khidòng điện qua dây quấn biến thiên theo thời gian

 Như vậy ta có thể xem sức điện động cảm ứng e1 được đặt

ngang qua hai đầu của phần tử điện cảm khi xây dựng mạchđiện tương đương và gọi phần tử này là điện kháng từ hóa Xm.

b Mạch tương đương biến áp tại chế độ không tải

 Thành phần từ thông tản t1 cũng được đặc trưng bằng phần tử điện

cảm được gọi là điện kháng tản từ phía sơ cấp, kí hiệu X t1

 Với N1 vòng dây quấn sơ cấp, ta có điện trở dây quấn phía thứ cấp R1

 Khi xét riêng phía sơ cấp, do từ thông chính  biến thiên theo

thời gian t hình thành sức điện động cảm ứng sơ cấp e1 Khibiến áp không tải bộ dây sơ cấp đóng vai trò như môt cuôncảm, do đó chúng ta có thể tương đồng sức điện động cảm ứng

ở sơ cấp với sức điện động tự cảm sinh ra trong cuôn dây khidòng điện qua dây quấn biến thiên theo thời gian

 Như vậy ta có thể xem sức điện động cảm ứng e1 được đặt

ngang qua hai đầu của phần tử điện cảm khi xây dựng mạchđiện tương đương và gọi phần tử này là điện kháng từ hóa Xm.

b Mạch tương đương biến áp tại chế độ không tải

Khi MBA vận hành ở chế độ không tải, từ thông chính trong lõi thép biến thiên theo thời gian nên tạo ra dòng điện xoáy ( dòng Foucault) trên

các lá thép Ngoài ra còn tùy thuộc vật liệu dẫn từ tạo nên lá thép ta còn có tổn hao thép

Các thành phần tổn hao thép phụ thuộc vào

độ lớn của từ cảm B hay từ thông  Do đó có thể xem như tổn hao thép tỉ lệ với giá trị hiệu dụng

sức điện động E.1.

Tổn hao thép được đặc trưng bằng phần tử điện trở RC ghép song song với điện kháng từ hóa

Xm.

Im: thành phần dòng từ hóa của I10.

IC: thành phần dòng điện của I10

(dòng điện qua điện trở RC)

b Phương trình cân bằng áp

+ Trường hợp chưa xét đến tổn hao thép

1 10

+ Trường hợp có xét đến tổn hao thép

1 10

c Thí nghiệm không tải

Số phần trăm dòng không tải

Công suất tác dụng tiêu thụ trong sơ cấp biến áp

Tổn hao không tải bao gồm: tổn hao thép và tổn hao trên điện trở dây quấn sơ cấp R1 do dòng không tải.

Thực tế R1 << RC và dòng không tải có giá trị thấp nên (R1I210 ) rất nhỏ không đáng kể Vì vậy có thể coi tổn hao không tải là tổn hao thép (hay tổn hao không tải chủ yếu là tổn hao thép:

Hệ số công suất không tải

U

Với mạch gần đúng của MBA không tải, ta có:

2 1d 0 1d

10 d

m C

m C

C

m m

m

U R

P

U I

R

U X

MỤC TIÊU CỦA THÍ NGHIỆM KHÔNG TẢI

Thông qua thí nghiệm không tải cho phép ta xác định được các thông số sau đây của máy biến áp:

Tỉ số biến áp

Dòng không tải và phần trăm dòng không tải

Tổn hao thép

Hệ số công suất không tải

Khi thực hiện thí nghiệm không tải, chúng ta tiến hành tuần tự theo các bước sau:

Hở mạch thứ cấp, không nối tải vào thứ cấp

Lắp các thiết bị đo phía sơ cấp theo mạchCấp áp vào sơ cấp biến áp bằng đúng định mức và đọc các giá trị trên các thiết bị đo

U 1 = U 1đm U 20 = U 2đm

3.2.3 Chế độ có tải

b Mạch điện tương đương MBA có tải

d Mạch tương đương biến áp quy đổi thứ cấp về sơ cấp

d Mạch tương đương biến áp quy đổi thứ cấp về sơ cấp

Chế độ ngắn mạch của MBA Trong chế độ ngắn

mạch, tổn hao thép xem như không đáng kể

Zn là tổng trở ngắn mạch,

Rn là thành phần điện trở ngắn mạch,

Xn là thành phần điện kháng ngắn mạch

Chế độ ngắn mạch của MBA

3.3 GIÃN ĐỒ PHÂN BỐ NĂNG LƯỢNG

VÀ HIỆU SUẤT CỦA MBA

3.3.1 Giãn đồ phân bố năng lượng

Hiệu suất : 2

1

P P

 = Tổn hao tổng MBA là tổn hao trên dây quấn và tổn hao trên lõi thép:

3.3.2 Biểu thức hiệu suất

Tại tải bất kì ta có:

Trong đó cos2 là hệ số công suất phía thứ cấp cũng chính là

hệ số công suất của tải

S2 là công suất biểu kiến cấp đến tải từ thứ cấp

Áp dụng định nghĩa hệ số tải ta có:

Hiêu suất cực đại: