Tài liệu Kỹ thuật điện_ Phần 1.5 pdf

Hai biến áp gọi là làm việc song song với nhau khi các cuộn dây sơ cấp nối chung vào lưới điện cung cấp, còn cuộn thứ cấp nối chung vào tải.. Để các máy biến áp làm việc song song với nh

CHƯƠNG 5

CÁC MÁY BIẾN ÁP LÀM VIỆC SONG SONG

5.1 Mở đầu

Khi phải tăng công suất cấp cho phụ tải, hoặc đảm bảo cấp điện liên tục cho phụ tải ta cho các biến áp làm việc song song Hai biến áp gọi là làm việc song song với nhau khi các cuộn dây sơ cấp nối chung vào lưới điện cung cấp, còn cuộn thứ cấp nối chung vào tải

Có một yêu cầu rất quan trọng là: khi các biến áp làm việc song song nếu không tải, thì chỉ có dòng rất nhỏ chạy phía sơ cấp các biến áp và khi có tải phải đảm bảo phân tải đều giữa các máy biến áp Khái niệm phân tải đều ở đây là ta phải đảm bảo phân tải tỷ lệ với công suất định mức của từng máy, tránh có máy làm việc quá tải lại có máy làm việc chưa đến tải Công suất từ các biến áp đưa đến tải phải là tổng số học các công suất của từng biến áp, điều này đòi hỏi dòng các biến áp phải cùng pha với nhau

5.2 Điều kiện để các biến áp làm việc song song và phương pháp kiểm tra các điều kiện ấy.

Để các máy biến áp làm việc song song với nhau phải thoả mãn các điều kiện sau:

1-Điện áp định mức phía sơ cấp các biến áp phải bằng nhau;

2-Điện áp định mức phía thứ cấp phải bằng nhau;

3-Tổ nối dây các biến áp phải giống nhau;

4-Các trụ đấu dây cùng tên phải được nối vào cùng một dây

Chúng ta hãy xét hậu quả xảy ra khi các biến áp làm việc song song mà một trong nhứng điều kiện trên không thoả mãn

a-Khi điều kiện 1 và 2 không thoả mãn Để giải thích các hiện tượng xảy ra

trong biến áp ta sử dụng đặc tính ngoài của biến áp (hình 5.1)

Từ hình vẽ ta thấy rằng do đặc tính ngoài của 2 biến áp khác nhau(không trùng nhau) nên khi làm việc song song, điện áp các biến áp bằng nhau nhưng dòng chạy qua các biến áp khác nhau, máy có đặc tính ngoài thấp sẽ tải ít hơn máy có đặc tính ngoài cao Trong trường hợp này khi ngắt tải khỏi biến áp, trong 2 biến áp

Hình 5.1 Đặc tính ngoài của 2 biến áp làm việc song song.

U2

U II 20

U I 20

vẫn có dòng cân bằng chạy giữa 2 cuộn thứ cấp vì UII

20>UI

20 Lúc này biến áp 1 là tải của biến áp 2

b-Khi nối nhầm trụ đấu dây ví dụ: pha A máy I nối vào trụ A nhưng pha B

của máy II lại nối vào trụ này, lúc bấy giờ 2 cuộn thứ cấp của biến áp sẽ chịu điện

áp dây nên xuất hiện dòng cân bằng lớn

Những biến áp có tổ nối dây khác nhau cũng có thể làm việc song song được, nhưng phải đảm bảo sự bằng nhau về giá trị và pha của điện áp được mắc vào cùng một trụ đấu dây Để kiểm tra điều này ta dùng phương pháp gương soi Nội dung của phương pháp như sau: khi tổ đấu dây của 2 biến áp khác nhau, ta dựng sao điện áp của chúng, rồi dùng một gương, soi sao điện áp của một biến áp vào gương Nếu ảnh của sao biến áp này giống sao của biến áp kia, thì chúng làm việc song song được với nhau Ví dụ: 2 biến áp có tổ nối dây Dy-5 và Dy-11 có thể làm việc song song được với nhau Muốn kiểm tra điều này ta dùng phương pháp gương soi (hình 5.2)

Qua kiểm tra ta thấy 2 biến áp này làm việc được với nhau, chỉ có điều pha

a của biến áp Dy-11 phải nối với trụ nối dây pha c của biến áp Dy5, còn pha c của biến áp Dy-11 phải nối với trụ nối dây pha a của Dy-5

Khi có khi 2 máy biến áp làm việc song song thì:

U’I

1=U’II 2

B

b

c

a

a

c

b) a)

Gương soi

Hình 5.2 Phương pháp gương soi kiểm tra tổ nối dây khi đưa biến áp vào làm

việc song song

Ảnh của Dy-11

Và ZngmIII = ZngmIIIII do đó:

I

ngm

II ngm II

I Z

Z I

I



Viết ở đại lượng tương đối :

I

ngm

II ngm II

I U

U I

I

%

%

ngm

II ngm II

I Z

Z

S 

S

Từ đây ta thấy để phân chia tải tỷ lệ với công suất định mức các biến áp, thì điện áp ngắn mạch của biến áp phải bằng nhau vì khi 2 máy biến áp làm việc song song với nhau thì máy biến áp nào có điện áp ngắn mạch lớn sẽ có dòng tải nhỏ (vì Ungm lớn thì U2 nhỏ do đó dòng tải nhỏ và ngược lại)

Khi hai biến áp làm việc song song, thì biến áp có công suất lớn nên chọn biến áp có điện áp ngắn mạch nhỏ để có thể sử dụng được toàn bộ công suất của máy này

Vì một điều kiện nào đó, phải làm việc song song 2 biến áp có điện áp ngắn mạch khác nhau thì nên mắc nối tiếp với máy biến áp có điện áp ngắn mạch nhỏ một cuộn kháng

Để công suất ra bằng tổng số học công suất từng máy, nên chọn 2 biến áp

khác nhau nên dòng sẽ lệch pha nhau

CHƯƠNG 6

QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ CỦA MÁY BIẾN ÁP

6.1 Khái niệm

Quá trình quá độ xảy ra khi chuyển từ trạng thái ổn định này sang trạng thái ổn định khác Như vậy quá trình quá độ trong máy biến áp xảy ra khi: đưa biến

áp vào làm việc với lưới, khi điều chỉnh điện áp, khi thay đổi tải, khi ngắn mạch, khi bị xét đánh và khi cắt biến áp ra khỏi tải, hoặc lưới cung cấp

Sự chuyển từ trạng thái ổn định này sang trạng thái ổn định khác là sự thay đổi năng lươịng chứa ở trong từ trường và điện trường của toàn mạch Vì mạch có một quán tính nhất định, cho nên sự thay đổi năng lượng không thể xảy ra tức thời,

mà phải sau một thời gian nhất định Số đo quán tính của mạch là độ tự cảm L Quá trình quá độ bị dập tắt dần do năng lượng bị tiêu tán ở điện trở R Với mạch R

và L thì thời gian quá độ xác định bằng hằng số thời gian của mạch =L/R

Quá trình quá độ được mô tả bằng phương trình vi phân có vế phải Giải phương trình vi phân này, ta được 2 quá trình:quá trình ổn định và quá trình tự do Đặc tính của quá trình tự do, phụ thuộc vào sự thay đổi năng lượng của từ trường, cùng với sự thay đổi này xuất hiện dòng và điện áp tự do

Dòng điện và điện áp ở quá trình quá độ, có thể có giá trị rất lớn so với lúc máy làm việc bình thường, vì lý do đó khi thiết kế cần phải lưu ý tới điều này (lưu

ý về độ bến cơ học, về điện và phương pháp bảo vệ v.v.)

6.2 Quá trình quá độ khi đưa máy biến áp vào lưới điện.

Ta nghiên cứu quá trình xảy ra trong máy biến áp khi đưa biến áp vào lưới điện cung cấp Nếu bỏ qua điện trở cuộn sơ cấp (R1=0) và tổn hao trong lõi thép (RFe = 0) thì sơ đồ tương đương của máy biến áp có dạng như hình 6.1

tồn tại dư=0 ta có:

L1 dt

di0

góc  là góc ứng với thời điểm đưa biến áp vào lưới điện, tức là thời điểm t=0

Giải phương trình vi phân ta có:

i0 =

1

max 1

L

U

sin(t+-2



Ở đây C-là hằng số tích phân, phụ thuộc vào điều kiện đầu Tại thời điểm đưa biến áp vào lưới (t=0, =0 ) thì dòng điện i0=0 do đó:

C=-1

max 1

L

U

Do đó dòng điện không tải ở quá trình quá độ có dạng:

i0 =

1

max 1

L

U

sin(t+-2



)-1

max 1

L

U

sin(-2



Trong đó dòng ổn định iôđ bằng:

iôđ =

1

max 1

L

U

sin(t+-2



) còn dòng tự do:



i0

L1

u,i

t

1 1 2

L



1

1

L



1

1

L





T

2Imôđ

t

=90 0

i0

1

1

L

t=0

t=0

iôđ





T

T

t

t t

i

T

u1

iôđ

u1

=45 0

=0

0<=90 0

iôđmax

u1

Hình 6.1 Đặc tính quá độ của dòng biến áp khi đưa vào lưới cung cấp.

i

t

iôđ i

T

a)

b)

c)

d)

itd =

-1

max 1

L

U

Đặt I0max =

1

max 1

L

U

i0=I0max

sin(t+-2



)-I0max

sin(-2



Kết luận;

Nếu bỏ qua R1, thì dòng điện tự do có giá trị không đổi và phụ thuộc vào thời điểm đưa biến áp vào lưới điện Ta xét một số trường hợp

a-Khi =0; Ta thực hiện đóng biến áp vào lưới điện khi điện áp lưới đạt giá trị 0 (hình 6.1b), bên trái vẽ ioôđ, i0td và i0 với tỷ lệ nhỏ hơn

b-Khi  =/2 Đây là khi đóng biến áp vào lưới điện , điện áp lưới đạt giá trị cực đại (hình 6.1c)

c-Khi 0< </2

Đây là trường hợp đưa biến áp vào lưới điện ở thời điểm bất kỳ (hình 6.1d)

Từ hình vẽ ta thấy, nếu đưa biến áp vài lưới cung cấp khi điện áp đạt giá trị cực đại, thì dòng quá độ có dạng của dòng ổn định, còn đưa biến áp vào lưới khi điện áp lưới bằng không, thì dòng quá độ đạt giá trị gần bằng 2 lần giá trị dòng ổn định I0max=2I0maxôđ

Vì I0=0 nên tại thời điểm t=0 dòng Iotd và I0ôđ có giá trị bằng nhau nhưng ngược chiều

Vẫn giả thiết L1=const thì ta có:

1 a)

T

=0

iôđ

b)

t 2Imôđ

i

t

iôđ

Hình 6.2 Đặc tính quá độ của biến áp khi R10

i0

R1

i0R1+L1 dt

di0

= u1 = U1maxsin(t+) Giải phương trình và lưu ý i0=0 ta được:

i0=

Z

U1max

sin(t+0

-2



)-Z

U1max

sin(-0)e T

t

Trong đó 0=arctg

1

1

R

L



, T=

1

1

R L

Giống như trước, nhưng có thêm thành phần tắt dần ở dòng tự do (hình 6.2b) Để xem sự biến thiên của từ thông, ta dùng phương trình sau:

u1= R1i0+d dt =R1i0+W1

dt

d

(6.6) Giả thiế rằng R1=0 ta có:

W1

dt

d

Sau khi giải phương trình này ta được:

 =

1

max 1

W



U

Nếu dư 0 thì ta có:

C=-1

max 1

W



U

sin(-2



Đặt

1

max 1

W



U

=max ta được:

 = max

sin(t+-2



)-max

sin(-2



) dư = ôđ + td  dư (6.10) Phân tích như trên, ta tìm được những giá trị khác nhau của từ thông với những giá trị  khác nhau và chiều dư khác nhau

Biên độ  sẽ cực đại khi =0 và dư >0

Nếu R10 thì:

 = max

sin(t+-2



)-[max

sin(-2



) dư]e-t/T = ôđ + td  dư (6.11)

CHƯƠNG 7

MÁY BIẾN ÁP ĐẶC BIỆT

7.1 BIẾN ÁP 3 CUỘN DÂY

Trong thực tế kỹ thuật, nhiều khi cần phải nối 3 lưới điện có điện áp khác nhau Lúc này người ta dùng biến áp 3 cuộn dây Ở biến áp này, 3 cuộn dây đều được đặt trên một trụ lõi thép Trong công nghiệp điện năng, phụ thuộc vào nơi sử dụng và nhiệm vụ, mà mỗi cuộn dây có thể đóng vai trò cuộn sơ cấp hay thứ cấp Chúng ta nghiên cứu tính chất của biến áp này

Trên hình 7.1 biểu diễn sơ đồ biến áp 3 cuộn dây

Ở trạng thái làm việc ổn định và điện áp nguồn cung cấp là hình sin, với mũi tên chỉ hướng như hình 7.1 ta có các phương trình sau:

3 13 2 12 1 11 1

1

1 R I j (L Z L Z L Z







3 31 1 21 2 22 2

2

2 R I j (L Z L Z L Z





2 32 1 31 3 33 31

3

3 R I j (L Z L Z L Z







3 3 2 2 1 1 1

0 W  W  W  W







I

Trong đó L11, L22, L33-độ tự cảm của các cuộn dây, còn L12, L23, L31- độ tự cảm tương hỗ giữa các cuộn dây Như những biến áp khác, chúng ta qui đổi cuộn dây về một phía Giả thiết như sau:

ku12=



2

1

W

W ; ku13=



3

1

W W

Đưa về cuộn W1 ta có:

13 3 , 3 12 2 ,

u

u I I k k

I

Để đơn giản, ta giả thiết W1=W2=W3 lúc này ta có:

I1

I2 I3

Hình 7.1 Sơ đồ biến áp 3 cuộn dây

3 2 1

0 I I I

Thay (7.3) vào (7.1) ta được:

 1 11 13 21 23  1  2 22 23 12 13  2 13 23 0 2



























 1 11 12 31 32  1  3 33 32 13 12  3 12 32 0 3



























Thành phần I0 rất nhỏ so với các thành phần không chứa I0 và vì có:

L12=L21; L13=L31, L23=L32 ta ký hiệu:

Z1=R1+j(L11-L12-L13+L23)=R1+jX1

Z3=R3+j(L33-L32-L31+L21)=R3+jX3

Vậy ta có:













U













 U Z I Z I













U













và 123 0

I I

Khi bỏ qua dòng không tải, dựa vào (7.6) và (7.7) ta có sơ đồ tương đương như hình 7.2 và đồ thị véc tơ như hình 7.3

Giá trị X1, X2, X3 phụ thuộc trước hết vào vị trí các cuộn dây đối với nhau Với cách phân bố thích hợp, ta có thể thay đổi được đặc tính công tác của biến áp

Đồ thị véc tơ (hình 7.3) vẽ cho trường hợp X1<0 và không giữ đúng tỷ lệ giữa các véc tơ nhằm làm sáng sủa cho hình vẽ

Để dựng được đồ thị véc tơ, nhất thiết phải biết được góc  (giữa I2 và I3)

vì góc giữa U1, U2, U3 rất nhỏ nên nhận =0, ta có =3-2

Vậy có thể tìm được  khi biết tải của cuộn 2 và 3 (cos2, cos3) Để xác định Z1, Z2, Z3 ta thực hiện 3 lần ngắn mạch

Khi cung cấp cho cuộn 1, ngắn mạch cuộn 2, cuộn 3 hở, ta xác định được

Zngm12, bằng cách tương tự ta có Zngm23 và Zngm31

Vì Zngm12=Z1+Z2 ;Zngm13 =Z1+Z3 và Zngm23 =Z2+Z3 do đó:

U1

I1Z1

I3Z3 I3

I2Z2 I2 U2 U3

Hình 7.2 Sơ đồ tương đương của máy

biến áp 3 cuộn dây

Hình 7.3 Đồ thị véc tơ của biến áp 3 cuộn dây

 1

I

 3

I

 2

I

 2

I

 3

I

 1

U

 2

U

 3

U

 1

1I jX

 2

2I jX

 3

3I jX

1

1R

I

2

2R

I I3R3

1

3 2



 Z2

Z1

Z3 I1

Z1= (

2

1

Zngm12 + Zngm13 - Zngm23)

Z2= (

2

1

Z1= (

2

1

Zngm13 + Zngm23 - Zngm13)

Ở những máy công suất lớn có thể nhận R1=R2=R3=0 do đó: Z1=X1, Z2=X2, Z3=X3;

Biến đổi (7.5) ta rút ra: 1 ( 2 3 )











U1 U 2  (Z1Z2)I2  Z1I3

Và vì rằng Z2 Z 2 Z ngm12













U Z I Z I













U Z I Z I

Từ phương trình này ta thấy, sự ảnh hưởng qua lại của các cuộn dây với nhau Ví dụ khi cấp điện áp vào cuộn 1, thì từ (7.9a) ta thấy được ảnh hưởng của cuộn 3 lên cuộn 2 và từ (7.9) ta thấy ảnh hưởng của cuộn 2 lên cuộn 3

Khi bố trí cuộn dây một cách thích hợp, ta có thể hạn chế được các ảnh hưởng của chúng, ví dụ: khi cấp điện cho cuộn 1 thì nên bố trí cuộn 1 ở giữa, vì lúc này Z10 và ta có thể chấp nhận rằng điện áp ở các cuộn 2 và 3 chỉ ảnh hưởng do chính dòng của nó thôi vì:

















U ngm

Bảng định mức của biến áp 3 cuộn dây phải chứa các đại lượng sau:

Điện áp, công suất của mỗi cuộn dây, điện áp ngắn mạch của từng cuộn dây

Công suất của máy biến áp sẽ là công suất của cuộn dây có giá trị lớn nhất 7.2 BIẾN ÁP TỰ NGẪU

Đây là biến áp đặc biệt, ở biến áp này cuộn thứ cấp là một phần của cuộn

sơ cấp Để giải thích nguyên lý hoạt động của máy biến áp tự ngẫu, ta xét một biến

áp 2 cuộn dây bình thường có hệ số biến áp ku1(hình 7.4) Trước hết ta nối x với

điểm a ở cuộn thứ cấp Nối điểm A1 với a (hình 7.4b), sẽ không gây ra sự thay đổi

dây hình 7.5, ta được một biến áp tự ngẫu

A

Xx

a

A 1

U1

U 2

W1 W 1

I1

I2

I

2 -I

A

U

1

a

U2

A

U1

a

U2

A1

A1

Khi điện áp không đổi thì sự phân bố dòng I1 và I2 cũng sẽ không đổi Lúc này trong cuộn dây chung sẽ chạy dòng điện:









Hệ số biến áp ở trạng thái không tải như sau:

ku=

2

1 2

1

W

W U

U

trong đó W1 là số vòng dây sơ cấp, W2-số vòng dây cuộn thứ cấp (hình 7.5)

Nếu ku1 thì dòng I rất nhỏ so với I1 và I2 Tiết diện dây dẫn ở phần chung

có thể nhỏ, do vậy tiết kiệm được đồng

Ở biến áp thường, năng lượng truyền từ sơ cấp sang phía thứ cấp bằng con đường từ trường, còn ở biến áp tự ngẫu việc truyền năng lượng sơ cấp sang thứ cấp bằng 2 con đường: dẫn và từ

Thật vậy do cuộn sơ cấp và thứ cấp nối với nhau nên có liên quan về điện tức là năng lượng được truyền bằng con đường dẫn điện , mặt khác giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp lại có mối liện hệ với nhau về từ như những biến áp thường, nên năng lượng lại truyền sang bằng từ trường

Ta có mối liên hệ sau đây:

Vậy I1W1-I2W2 = 0

Đây là quan hệ về từ của biến áp

Vậy năng lượng chuyển qua thứ cấp bằng con đường từ xác định như sau:

Dòng I1 chạy từ lưới điện vào, đem nhân dòng này với điện áp thứ cấp U2 cho ta công suất dẫn

Do đó năng lượng chuyển qua thứ cấp bằng dẫn xác định như sau:

Năng lượng chuyển từ sơ cấp sang thứ cấp như sau:

S2= St+Sd = (U1-U2)I1+I1U2= U1I1 = S1 (7.14)

Biến áp tự ngẫu có những ưu điểm sau:

-Biến áp tự ngẫu nhẹ hơn biến áp thường cùng công suất theo tỷ trọng sau:

thuong

tungau

G

G

=(1-u k

1 )3/ 4 -Khi thay đổi điểm nối A1,ta thay đổi được điện áp ra Biến áp tự ngẫu cho

ta thay đổi điện áp ra vô cấp

-Dùng ít đồng hơn so với biến áp thường, hiệu suất lớn hơn biến áp thường

vì tổn hao đồng và thép nhỏ hơn do lượng sử dụng các vật liệu này ít hơn biến áp thường

Nhược điểm của biến áp tự ngẫu là mọi biến động ở phía sơ cấp đều được chuyển sang thứ cấp

Giống như biến áp thường, ta có thể cung cấp điện vào phía hạ áp (thứ cấp)

để nhận được điện áp ra lớn, tuy nhiên cần lưu ý khi giảm số vòng dây thứ cấp, để không xảy ra ngắn mạch cuộn dây

7.3 BIẾN ÁP DÙNG TRONG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI

Để cấp diện cho một số bộ biến đổi ví dụ bộ chỉnh lưu, ta cần biến áp nhiều

7.4 MÁY BIẾN ÁP HÀN

Người ta dùng biến áp hàn để tạo ra một điện áp duy trì hồ quang phục vụ cho hàn kim loại Yêu cầu cơ bản của biến áp hàn, là phải giữ ổn định cung hồ quang Sự ổn định cung của hồ quang quyết định bởi điện áp và tần số dòng điện hàn Chế độ ngắn mạch cuộn thứ cấp là chế độ làm việc bình thường của biến áp hàn Để giới hạn dòng ngắn mạch, biến áp hàn phải có độ cảm ứng lớn, nên hệ số công suất nhỏ (cos) Tăng độ cảm ứng làm cho đặc tính ngoài của biến áp mềm, nên giữ được cung hồ quang ổn định khi ngắn mạch cuộn thứ cấp ở tần số 50Hz

Vì mục đích an toàn cho người sử dụng, điện áp của máy biến áp hàn có giá trị khoảng 60-70V

Máy biến áp hàn được thực hiện với nhiều dạng khác nhau Ở hình 7.7a biểu diễn máy biến áp hàn với cuộn cảm riêng biệt, lõi sắt từ có thể thay đổi khe khí và đặc tính ngoài của biến áp hàn khi thay đổi khe khí (cuộn 5 hình 7.7b).Từ

đồ thị ta thấy rằng khi tăng khe khí , trở kháng cuộn cảm giảm, dòng rô to tăng, ngược lại khi giảm khe khí làm tăng độ tự cảm, dòng điện hàn sẽ giảm

69

pha để điện áp ra phẳng hơn

Trên hình 7.6 ta biểu diễn biến

áp 3 pha, từ biến áp này ta có

thể biến thành biến áp 6 pha

Sơ cấp là 3 cuộn dây nối sao,

phía thứ cấp nối sao thành 6

pha Nếu cần nhiều số pha hơn

nữa ta có thể biến đổi 6 pha

sang 12 pha Nguyên tắc chung

để có 6 pha ta biến cuộn thứ

cấp thành sao kép hoặc tam

giác kép, còn để có 12 pha ta

dùng biến áp có 2 cuộn thứ cấp

trong đó 1 cuộn mắc sao kép,

một cuộn mắc tam giác kép

A B C

a b c

a1 b1 c1

A

B C

a

b c

a1

Hình 7.6 Tam giác 6 pha thứ cấp dùng cho

bộ biến đổi

G

1 

2 3

1<2<3

U

U0

0

a)

b)



U2

U1

1

4

7

2

1

c)



U2

U1

1

max

2

1

UG

3