Tài liệu Kỹ thuật điện_ Phần 1.4 pptx

4.3 Cách nối cuộn dây của máy biến áp 3 pha Cuộn dây của máy biến áp 3 pha phải đảm bảo nối đúng để từ thông khép kín qua mạch từ, nếu các cuộn dây nối không đúng từ thông sẽ không khép

CHƯƠNG 4

MÁY BIẾN ÁP BA PHA

4.1 Mở đầu

Trong thực tế công nghiệp, người ta thường sử dụng biến áp nhiều pha Biến áp nhiều pha xuất hiện do nối một cách thích hợp nhiều biến áp một pha lại với nhau, hoặc do thiết kế riêng máy biến áp nhiều pha So sánh 2 loại biến áp nhiều pha cùng công suất với nhau người ta thấy biến áp nhiều pha do ghép các biến áp một pha có số lượng thép nhiều hơn khối lượng thép của biến áp nhiều pha được thiết kế riêng Vì vậy khi cần dùng biến áp nhiều pha người ta thiết kế riêng những biến áp như thế

Ta thường gặp các biến áp 3 pha, 6 pha, 9 pha 12 pha Những biến áp có số pha lớn hơn 3 thường dùng rong các bộ biến đổi tĩnh

4.2 Mạch từ của biến áp 3 pha.

Để hình dung được quá trình hình thành biến áp 2 pha ta hãy xét một ví dụ sau: Ghép 3 biến áp 1 pha như hình 4.1

Chúng ta còn có thể tạo một biến áp 3 pha như hình vẽ 4.2 Đây là biến áp

có lõi thép phẳng 3 cột Mỗi cột được đặt 2 cuộn dây: cuộn sơ cấp và cuộn thứ cầp Loại biến áp 3 pha này có đặc điểm là từ thông trong các cột không đối xứng, cột giữa có số từ thông lớn hơn còn 2 cột bên có số từ thông ít hơn Tuy nhiên sự khác

41

Hình 4.1 Biến áp 3 pha được tạo từ 3 biến áp một pha

nhau này không lớn lắm, nên về nguyên tắc chúng ta có thể coi như từ thông các cột như nhau

4.3 Cách nối cuộn dây của máy biến áp 3 pha

Cuộn dây của máy biến áp 3 pha phải đảm bảo nối đúng để từ thông khép kín qua mạch từ, nếu các cuộn dây nối không đúng từ thông sẽ không khép kín qua mạch từ, làm tăng dòng kích từ Các cuộn dây của máy biến áp có thể nối sao, tam giác hoặc sao kép (zic-zắc)

Với mỗi cuộn dây, việc lựa chọn đầu và cuối là tuỳ ý Cuộn dây thuận, phải

là cuộn dây mà đầu phải là điểm xuất phát, từ đó ta quấn cuộn dây theo chiều kim đồng hồ Cuộn dây trái là cuộn quấn theo chiều ngược lại Dưới đây chúng ta nghiên cứu cách nối dây trong máy biến áp 3 pha

4.3.1 Cuộn dây biến áp 3 pha nối sao(Ký hiệu là Y(y)).

Để tiện theo dõi chúng ta qui ước như sau:

-Đầu cuộn dây sơ cấp ta ký hiệu tuần tự là A, B, C, cuối là X, Y, Z

-Đầu cuộn dây thứ cấp ta ký hiệu tuần tự là a, b, c, cuối là x, y, z

42

A B C

X Y Z

x y z

a b c Hình 4.2 Biến áp 3 pha lõi thép phẳng

Khi ta nối 3 đầu cuối của 3 cuộn dây sơ cấp (hoặc thứ cấp) của máy biến

áp 3 pha lại ta được cuộn dây máy biến áp ba pha nối sao và ký hiệu là Y hoặc y)

Máy biế áp 3 pha có thể thực hiện nối sao như sau: Sơ cấp và thứ cấp đều nối sao (hình 4.2) Với cách nối này sđđ tức thời ở các vòng dây khép kín

AB-BC-CA được xác định như sau:

eA=Emax1sinωt+Emax3sin3ωt+ + Emax5sin5ωt+

eB=Emax1sin(ωt-23π)+Emax3sin3(ωt-23π) + + Emax5sin5(ωt-23π)+ (4.2) eA=Emax1sin(ωt+23π)+Emax3sin3(ωt+23π) + + Emax5sin5(ωt+23π)+

Thay các giá trị này vào (4.1) ta được:

eAB = 3Emax1sin(ωt+π6

)+ 3Emax5sin(5ωt-π6

)+ 3Emax7sin(7ωt+π6

) +

eBC = 3Emax1sin(ωt+π6

-23π)+ 3Emax5sin(5ωt-π6

+23π)+ 3Emax7sin(7ωt+π6

-23π )+

eCA = 3Emax1sin(ωt+π6

-43π)+ 3Emax5sin(5ωt-π6

+43π)+ 3Emax7sin(7ωt+π6

-43π )+

Từ các biểu thức này ta thấy: sóng bậc 3 và bội số của nó không tồn tại trong điện

áp dây Hiện tượng này có thể giải thích như sau:

Điện áp dây của tất cả các sóng bậc 3k+1, kể cả sóng cơ bản (tức là sóng bậc nhất của hệ thống điện áp 3 pha) tạo thành những hệ thống đối xứng theo thứ

tự đối nhau có pha đầu tiên ϕ=300 (hình 4.4a) còn tất cả các sóng bậc 3k-1 tạo thành hệ đối xứng ngược pha có góc lệch pha ϕ=-300 (hình 4.4b)

Biên độ của điện áp dây (3k+1) đều lớn hơn 3 biên độ sóng tương ứng của điện áp pha., cụ thể:

43

xyz Hình 4.3 Sơ đồ máy biến áp

ba pha nối sao

eAB=eA-eB

eBC=eB-eC (4.1)

eCA=eC-eA

trong đó eAB, eBC, eCA- là sđđ dây (hình 4.3)

Những sđđ của biến áp trong trường hợp tổng quát

không có dạng hình sin Phân tích chúng sang chuỗi

Fuorier ta có:

EA1

EB1

EC1

-EB1

-EC1 -EA1

EAB1

EBC1

ECA1

EAB5

EBC5

ECA5

EA5

EB5

EC5

-EC5

-EA5 -EB5

Hình 4.4 Đồ thị véc tơ của sóng bậc 1(a) và bậc 5 (b)

Emaxdγ= 3Emaxdpγ (4.3)

Trong đó: γ =3k+1 bậc sóng đa hài, d, p-ký hiệu dây và pha

Dòng điện sẽ là: Id=Ip (4.4)

Công suất của sóng bậc 1:

4.3.2 Cuộn dây biến áp nối tam giác (ký hiệu là D(d))

Để nối cuộn dây máy biến áp 3 pha tam giác ta làm như sau: đầu cuộn dây pha này nối với cuối cuộn dây pha khác bằng cách đó hình thành cho ta cuộn dây khép kín (Hình 4.5) Giả thiết rằng iAX, iBY , iCZ là dòng điện tức thời trong các cuộn dây 3 pha của biến áp 3 pha còn iA, iB , iC là dòng điện 3 dây nối vào các đầu

A,B,C của biến áp, ta có như sau:

iA = iAX - iBY ;

iC = iCZ – iAX

Đồ thị véc tơ của sóng bậc 1 biểu diễn trên hình 4.5c Từ đồ thị ta thấy rằng dòng điện trong dây dẫn vượt trước dòng điện trong pha một góc 300 Do vậy:

Nghĩa là dòng dây bằng căn 3 lần dòng pha Dòng điện bậc 3 không thể chạy ở dây lưới cung cấp, mà nó khép kín trong các cuộn dây nối tam giác (hình 4.6)

4.3.3 Cuộn dây biến áp nối sao kép (zic-zắc).

44

Hình 4.5 Sơ đồ máy biến áp ba pha nối tam giac a,b sơ đồ, c)Sao điện áp

X Y Z

x y z

IAX

E BY

ECZ

-E BY

-ECZ -EAX

IA

IB

IC

C

I

A -Y

B-Z C-X

I3

E A3

E A3

E

C 3

Hình 4.6 Dòng bậc 3 khép kín trong vòng dây tạo nên từ 3 pha

Để nối cuộn dây biến áp 3 pha thành sao kép ta chia mỗi cuộn dây ra làm 2 phần có số vòng dây bằng nhau, sau đó ta nối nửa cuộn dây trên của pha này với nửa cuối cuộn dây pha khác (hình 4.7) Với cách nối như vậy, làm cho sđđ ở mỗi pha là hiệu hình học sđđ ở các nửa cuộn dây cùng một cuộn dây Sđđ sẽ bằng 3

sđđ của mỗi cuộn dây Cách nối này chỉ dùng ở cuộn hạ điện áp

4.4 Tổ nối dây của máy biến áp 3 pha

Ở máy biến áp 3 pha cho biết cách nối cuộn dây chưa đủ, vì nó không cho

ta biết độ lệch pha giữa điện áp sơ cấp và thứ cấp của pha cùng tên Việc biết được góc lệch pha giữa điện áp phía sơ cấp và thứ cấp rất cần thiết khi biến áp làm việc song song Vì lẽ đó ở biến áp ba pha, ngoài việc cho biết cách nối cuộn dây, người

ta còn cho biết góc lệch pha α giữa điện áp dây phía sơ cấp với điện áp dây phía thứ cấp Căn cứ vào góc lệch pha α, người ta chia ra thành những tổ nối dây khác nhau

Có sự lệch pha giữa điện áp sơ cấp và thứ cấp là do:

-Hướng quấn dây khác nhau;

-Cách ký hiệu đầu và cuối cuộn dây khác nhau;

-Cách nối cuộn dây biến áp 3 pha khác nhau

45

Hình 4.7 Sơ đồ máy biến áp ba pha nối sao kép (a);

Sao điện áp (b); Đồ thị tô-pô (c)

X Y Z

a

c)

c

Uab

3 3 3

b

Ua

Ua

Ub

Uc

CZ

a

b

c

ua

ua ub

ub

uc

uc

Ub

Ub

Ua

Uc

4 4 4

5 5 5

6 6 6

5

4 3

3

4 6

Để giải thích ảnh hưởng của 2 yếu tố đầu tiên ta lấy biến áp một pha để giải thích

Giả thiết rằng cuộn trên là cuộn cao áp, cuộn dưới là cuộn thấp áp Ở hình 4.8a cách quấn dây cuộn sơ cấp và thứ cấp như nhau, cách nhận đầu và cuối cuộn dây như nhau Vì 2 cuộn dây của biến áp cùng nằm trên một cột, cùng chịu sự tác dụng của 1 từ thông nên sđđ xuất hiện trong 2 cuộn dây tại mọi thời điểm sẽ có cùng hướng so với trụ nối dây ví dụ: ở cuộn sơ cấp từ X→A, và ở cuộn thứ cấp từ

x→a , như vậy điện áp ở cuộn sơ cấp và thứ cấp trùng pha Vẫn giữ nguyên chiều quấn dây của 2 cuộn nhưng ta đổi cách nhận đầu và cuối cuộn sơ cấp và thứ cấp, lúc này điện áp U1 sẽ lệch pha 1800 so với điện áp U2 của cuộn thứ cấp (hình 4.8b)

Để chỉ góc lệch pha của 2 điện áp, người ta không dùng độ mà dùng giờ vì

nó tiện hơn, phương pháp này như sau:

Nếu nhận véc tơ điện áp cao là kim phút và đặt ở con số 12, thì véc tơ điện

áp phía hạ áp là kim giờ và nằm ở con số tương ứng với góc lệch pha giữa hai điện

áp này Vậy với hình 4.8a thì kim giờ trùng kim phút và nằm ở con số 12 (12 giờ) còn ở hình 4.8b kim phút nằm ở con số 12 nhưng kim giờ nằm ở con số 6 (6 giờ)

Vì một giờ ứng với 300 nên căn cứ vào số giờ ta biết được hai điện áp lệch nhau bao nhiêu độ Nói một cách khác là ta biết được tổ nối dây của biến áp 3 pha

Dưới đây chúng ta xây dựng một số tổ nối dây

1-Tổ nối dây Yy0 (hình 4.9)

46

A

X

a

x

A

A

X

a

x

0

A

X

a

x

a) b) Hình 4.8 Sự hình thành góc lệch pha giữa điện áp sơ cấp và thứ cấp ở máy biến áp ba pha:

a) Góc lệch pha α =0,b) α =180 0 do nhận đầu và cuối cuộn dây sơ cấp và thứ cấp khác nhau

a

X x

S

Giải thích cách nối như sau:Giả thiết rằng máy biến áp được nối sao, các cuộn dây có cùng chiều quấn dây, cùng ký hiệu đầu và cuối Cuộn có điện ápcao là cuộn sơ cấp, cuộn có điện áp thấp là thứ cấp Sao véc tơ điện áp sơ cấp và thứ cấp

là đối xứng Một biến áp 3 pha như thế gọi là biến áp 3 pha có tổ nối dây 12h vì sao điện áp cuộn thứ cấp ax-by-cz tạo tam giác abc trùng pha với sao điện áp phía

sơ cấp AX-BY-CZ và tam giác ABC (hình 4.9)

2-Tổ nối dây Yy-6 (hình 4.10).

Nếu ta quấn cuộn dây thứ cấp theo chiều ngược lại hoặc thay đổi các ký hiệu đầu và cuối thì lúc này tam giác abc sẽ lệch 1800 so với tam giác ABC hay (α=6x30=1800) Bây giờ ta có biến áp 3 pha với tổ nối dây Yy6 Nếu cuộn thứ cấp

có nối dây ze-rô thì ta có Yy0-6

3-Tổ nối dây Dy-5

Phía sơ cấp bây giờ nối tam giác (hình 4.11), phía thứ cấp nối sao Ta dựng sao điện áp cho cuộn sơ cấp và thứ cấp Do phía sơ cấp nối tam giác, nên sao điện

áp là điện áp dây và tam giác hợp thành từ điện áp dây có cạnh bằng chính điện áp dây Phía thứ cấp nối sao nên điện áp dây lớn hơn điện áp pha Giũa điện áp Uab của phía thứ cấp và điện áp UAB của sơ cấp lệch nhau 1500 nên ta có Dy-5

47

c)

Hình 4.10 Sơ đồ máy biến áp ba pha nối sao có tổ nối dây Yy-6

2 2 2

UA

Uab

S

UAB B

IC

1 1 1

4 4 4

Uab

a b c

r

s

t

R

S

T

1

1 1

2 2 2

Uab 4

4

3

3 3

Ua

Ub

UC

UA

UB

UC

Ua

Ub

Uc

UB

UC

UR

US

UT

α =180 0 Yy6

UAB B

UAB B

4

c

b

A

B

C

URS

UST

UTR

c)

Hình 4.9 Sơ đồ máy biến áp ba pha nối sao có tổ nối dây Yy0

2 2 2

α =0 Yy0

UA

U

ab

UAB B

a

U

1 1 1

4 4 4

Uab

a b c

r

s

t

R

S

T

1

1 1

2 2 2

Uab 4

44

3

3

Ub U

C

UA

U

B

U

C

U

a

U

b

Uc

UB

UC

UR

US

UT

UAB B

UAB B

URS

UST

UTR

A

B

C b

c

c)

Hình 4.11 Sơ đồ máy biến áp ba pha nối tam giác sao có tổ nối dây Dy-5

2 2 2

Uab

S

UAB=

UC

1 1 1

4 4 4

Uab

a b c

r

s

t

R

S

T

T

1

1 1

2

2

2

Uab

4

4 3 3 3

U

a

Ub

UA

U

c

Ua

U

c

URT

α =150 0 Dy-5

UAB B

UAB B

4

c

a

b

A

B

C

R

URS

U ST

UTR

UST

UTS

UB

Ub

UC

UA

Các tổ nối dây 12, 6, 11, 5 là các nhóm cơ sở Từ những nhóm này ta có thể tìm được những nhóm khác bằng cách thay đổi cách nối dây cuộn hạ áp.Ta thường gặp các tổ nối dây : Yy-12, Yy-5, Dy-5, Yd-5, Yz-5, Dy-11, Yd-11, Yz-11

4.5 Phạm vi sử dụng các tổ nối dây và hệ số biến áp của máy biến áp 3 pha

4.5.1 Phạm vi sử dụng các tổ nối dây

-Tổ nối dây Yy0-12 được dùng trong những trường hợp khi tải vừa dùng cho chiếu sáng (cần điện áp pha) vừa cấp điện cho mạch động lực Các động cơ được đấu vào lưới với điện áp 220V hoặc 380V

-Tổ nối dây Yd-11 được dùng khi điện áp lớn hơn 400V Thứ cấp nối tam giác có lợi là giảm được sóng bậc 3

-Tổ nối dây Y0d-11 (sơ cấp nối sao có dây zero) được sử dụng khi phía sơ cấp nối đất

4.5.2 Hệ số biến áp của máy biến áp nhiều pha

Hệ số biến áp của máy biến áp nhiều pha được định nghĩa: là tỷ số của 2

điện áp dây (phía sơ cấp và phía thứ cấp).

Ở biến áp 3 pha khi biến áp nối sao thì Ud= 3Up, còn nối tam giá thì Ud=Up

Dựa theo định nghĩa trên ta có:

1.Hệ số biến áp 3 pha có nối dây: Yy

kuy=

2

1

d

d

U

U

=

2

1

2

3

p

p

U

U

=

2

1

W W

2.Hệ số biến áp 3 pha có nối dây: Dd

kud=

2

1

d

d

U

U

=

2 1

p

p

U

U

=

2

1

W W

3.Hệ số biến áp 3 pha có nối dây: Yd

kuYd =

2

1

d

d

U

U

=

2 1 3

p

p

U

U

=

2 1

3

W W

4.Hệ số biến áp 3 pha có nối dây: Dy

kuDy =

2

1

d

d

U

U

=

2

1

p

U

U

=

2

1

3W

W

4.6 Các sóng bậc cao của dòng điện và từ thông

Phần trước ta đã nghiên cứu khi cung cấp cho biến áp một pha một điện áp hình sin có biên độ vượt điểm bão hoà của đặc tính kích từ của vật liệu Trong trường hợp này, dòng kích từ biến dạng và chứa sóng bậc 3 Đây là bậc có nhiều ảnh hưởng tới hệ thống Ta hãy nghiên cứu chúng

Như ta đã biết, trong hệ thống 3 pha đối xứng có sóng bậc cao lẻ γ thì góc lệch pha giữa các dòng cùng bậc ở các pha xác định bằng biểu thức:

Và tần số dao động xác định bằng biểu thức:

49

Trong đó ω1-tần số dao động của sóng bậc 1.

Bây giờ ta hãy xem sóng bậc 3 tồn tại ở những hệ thống nào

a-Hệ thống biến áp nối sao có dây trung tính phía sơ cấp Y 0 y.

Theo (4.7) ϕ3=23π3 =2π nghĩa là chúng trùng pha Trong hệ thống này dòng bậc 3 có thể chạy từ nguồn tới biến áp vì dòng bậc 3 chạy trong dây trung tính Do đó dòng kích từ là dòng không hình sin nên từ thông sẽ có dạng hình sin

b-Hệ thống biến áp nối sao không dây trung tính phía sơ cấp Yy.

Ở hệ thống Yy dòng bậc 3 không tồn tại, do đó từ thông không có dạng hình sin, nó chứa từ thông bậc 3 Từ thông bậc 3 không khép kín được qua lõi thép

mà khép kín qua không khí hoặc dầu (hình 4.12) là môi trường có độ dẫn từ kém nên gây tổn hao trong biến áp vì tần số bậc 3 gấp 3 lần tần số sóng cơ bản (bậc 1)

Sự tồn tại từ thông bậc 3 xuất hiện sđđ bậc 3 trong các pha riêng biệt nhưng không xuất hiện ở điện áp dây vì chúng cùng pha và bị triệt tiêu ở trong mạch của mỗi cặp pha mắc sao (hình 4.13)

Như vậy nếu biến áp được cung cấp điện áp hình sin, thì điện áp dây phía thứ cấp là hình sin Ảnh hưởng của từ thông bậc 3 sẽ lớn ở các biến áp có 5 cột hoặc biến áp có lõi thép phẳng vì ở những biến áp này từ thông bậc 3 khép kín qua gông từ là môi trường có độ dẫn từ lớn

c.Hệ thống Yd

Ở hệ thống Yd dòng kích từ bậc 3 sẽ không tồn tại, nên xuất hiện từ thông kích từ bậc 3 Từ thông này sẽ cảm ứng ở cả 2 phía sđđ bậc 3 Sđđ bậc 3 không tạo ra một dòng điện nào ở phía sơ cấp vì mắc sao, còn ở phía thứ cấp do cuộn dây nối tam giác nên tồn tại dòng bậc 3 khép kín trong 3 cuộn dây của biến áp (nối tam

50

Hình 4.12 Từ thông bậc 3 (a) và đường khép kín của từ thông bậc 3 (b)

U A1

U A1

U B1

U C1

U A3

U B1

U C1

U AB

U BC

U CA

U A3

U B3

U C 3

Hình 4.13 Các sóng bậc 3 không xuất hiện ở điện áp dâu (c)

c)

giác nên là cuộn dây kín), dòng bậc 3 sinh ra từ thông bậc 3 có chiều ngược với từ thông bậc 3 của từ thông kích từ, nên khử bớt từ thông bậc 3 này Tuy có sđđ bậc 3

ở phía thứ cấp nhưng nó không xuất hiện ở điện áp dây vì chúng tự triệt tiêu (ngắn mạch) trong các cuộn dây

d-Hệ thống Dy

Giống như hệ thống trên, phía sơ cấp không có dòng bậc 3 nhưng vì cuộn dây nối tam giác nên trong nó xuất hiện dòng bậc 3, tạo ra từ thông bậc 3 khử bớt

từ thông bậc 3 kích từ Qua phân tích trên đây ta thấy rằng để giảm ảnh hưởng của dòng điện bậc 3 thì biến áp 3 pha ít nhất có một cuộn được nối tam giác Trong trường hợp không thể dùng một phía nối tam giác (Yy) thì người ta dùng một cuộn phụ nối tam giác đặt trong biến áp, đầu cuộn dây phụ này không dẫn ra ngoài, nó làm nhiệm vụ cuộn dây cân bằng

4.7 Chế độ tải của máy biến áp 3 pha.

4.7.1 Tải đối xứng máy biến áp 3 pha.

Nếu tải 3 pha có giá trị bằng nhau nghĩa là:

ZA=ZB=ZC (tải nối sao)

ZAB=ZBC=ZCA (tải nối tam giác)

thì ta có hệ thống tải đối xứng Trong các hệ thống này, nếu nguồn cung cấp đối xứng thì:

a.Khi tải nối sao

Id=Ip

2-Khi tải tam giác

Ud=Up

Do tải đối xứng nên ta chỉ cần tính toán cho một pha

4.7.2 Tải không đối xứng.

Khi dòng điện trong các pha của biến áp 3 pha không đều nhau, sẽ xuất hiện hàng loạt những hiện tượng phụ thường là chúng có ảnh hưởng xấu tới biến

áp ví dụ: làm mất đối xứng của biến áp, gây tổn hao phụ, làm tăng nhiệt độ của biến áp lên quá mức v.v

Hiện tượng tải không đối xứng của biến áp có thể do ngắn mạch, do các phụ tải khác nhau, điện áp nguồn cung cấp cho các pha không bằng nhau Trong các dạng tải không đối xứng trên thì hiện tượng ngắn mạch không đối xứng giữ một vai trò rất quan trọng trong khai thác

Để phân tích chế độ không đối xứng của mạch 3 pha, người ta thường dùng phương pháp phân tích hệ thống 3 pha không đối xứng thành 3 hệ thống 3 pha đối xứng như sau:

-Hệ đối xứng thuận ký hiệu bằng số 1;

-Hệ đối xứng nghịch ký hiệu bằng số 2;

-Hệ đối xứng không ký hiệu bằng số 0

51