Tài liệu Kỹ thuật điện_ Phần 1.1 pdf

Ngoài ra biến áp còn được dùng trong các nhà máy, các khu dân cư để điều hoà năng lượng điện; được dùng cho các bộ biến đổi tĩnh hoặc dùng trong công nghiệp cho những mục đích cụ thể khá

PHẦN 1 CÁC MÁY BIẾN ÁP

CHƯƠNG I

CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP

1.1 Mở đầu.

Biến áp là một thiết bị điện từ dùng để thực hiện những nhiệm vụ khác nhau Nhiệm vụ chủ yếu là biến đổi năng lượng điện xoay chiều có điện áp và dòng điện ở giá trị này vào năng lượng điện xoay chiều có điện áp và dòng điện ở giá trị khác khi tần số không đổi Biến áp được dùng nhiều trong công nghiệp gửi năng lượng điện đi xa Sở dĩ như vậy vì năng lượng gửi đi xa được biểu diễn bởi S=UI, muốn giảm tổn hao và tiết kiệm dây dẫn ta phải giảm dòng (I) và tăng điện

áp U để cho S=const.Trên đường dây gửi năng lượng điện đi xa điện áp có giá trị

từ 6KV đến 500KV, trong khi dó điện áp nơi sử dụng có giá trị khoảng 110-220V, nên ta phải hạ điện áp Mặt khác trên đường truyền năng lượng điện áp bị giảm, để giữ cho điện áp không đổi ta phải dùng biến áp trung gian Tóm lại trên đường dây gửi năng lượng đi xa ta cần các biến áp sau:

-Biến áp nâng áp đặt ngay tại trạm phát điện vì điện áp máy phát điện cao nhất cũng chỉ khoảng 6KV

-Biến áp trung gian đảm bảo điện áp gửi đi không bị suy giảm

-Biến áp hạ áp đặt nơi tiêu thụ

Ngoài ra biến áp còn được dùng trong các nhà máy, các khu dân cư để điều hoà năng lượng điện; được dùng cho các bộ biến đổi tĩnh hoặc dùng trong công nghiệp cho những mục đích cụ thể khác

Biến áp còn được dùng làm biến áp đo lường như biến dòng, biến áp đo điện áp

Các biến áp có công suất nhỏ dùng trong gia đình dạng sun-von-tơ hay biến áp dùng trong tuyền thông

Trên vỏ của máy biến áp bao giờ cũng có bảng định mức Ở bảng định mức phải cho các đại lượng sau:

-Điện áp định mức của từng cuộn dây

-Công suất định mức hoặc công suất định mức của từng cuộn dây (cho ở dạng VA, KVA hoặc MVA)

-Tần số định mức

-Tổ nối dây của biến áp 3 pha

-Điện áp ngắn mạch của mỗi cuộn dây

-Trọng lượng của toàn biến áp

Trên bảng định mức của biến áp, công suất phải cho ở dạng biểu kiến vì biến áp phải cung cấp cả công suất tác dụng và kháng cho các tải khác nhau

Ở đây ta đưa ra khái niệm của đại lượng định mức;

Giá trị định mức là giá trị qui định sẵn của nhà máy sản xuất Khi làm việc lâu dài với các giá trị này không gây hỏng hóc cho máy

1.2 Phân loại biến áp

Dựa vào số pha máy biến áp được chia ra:

-Máy biến áp 1 pha

-Máy biến áp nhiều pha (ba pha và nhiều hơn 3 pha)

b-Theo hệ số biến áp (ku) máy biến áp được chia thành:

-Máy biến áp tăng áp nếu ku<1

-Máy biến áp hạ áp nếu ku>1

-Máy biến áp cách li nếu ku=1

c- Phân loại theo công dụng

-Biến áp năng lượng

-Biến áp dùng trong các bộ biến đổi tĩnh

-Biến áp đặc biệt

Biến áp đặc biệt lại chia ra:

- Biến áp hàn

-Biến áp đo lường

-Biến áp tự ngẫu

1.3 Cấu tạo của máy biến áp.

1.3.1 Lõi thép

Lõi thép là mạch từ của máy biến áp, nó được ghép bằng các lá thép điện

kỹ thuật mỏng, được cách điện đối với nhau để chống tổn hao do dòng Fucô Thép được cán nóng hoặc lạnh Các lá thép được gắn chặt với nhau bằng các đinh ốc, ghép càng chặt thì khi làm việc càng ít tiếng ồn

Sự ồn của biến áp là do hiện tượng từ Khoảng cách giữa các cột của lõi thép gọi là cửa sổ Số đo của của sổ phụ thuộc vào tiết diện dây dẫn, vào số vòng dây của cuộn dây Các lá thép được cắt thành những tấm nhỏ và được ghép theo một trong các cách như ở hình 1.1 a,b để hình thành lõi thép hình 1.2 a,b

Hình 1.1 Cách ghép lá thép lõi biến áp

Ghép lá thép mhư hình 1.1a có nhược điểm sau: nếu ta không dùng một lớp cách điện đặt ở chỗ tiếp xúcgiữa gông từ và cột sẽ gây ngắn mạch từ, sinh ra dòng Fucô gây nóng cục bộ Nếu dùng một lớp cách điện thì từ trở lại tăng (do khe khí tăng) làm tăng dòng không tải Ghép theo hình 1.1b nhược điểm trên bị loại trừ Với loại thép cán nguội thì ghép theo hình 1.b là tốt nhất vì chiều cán của thép có

độ thẩm từ tốt nhất

Cuộn dây biến áp thường có dạng hình trụ để chống các lực điện từ Việc tạo lõi thép có dạng hình trụ gặp nhiều khó khăn nên người ta làm lõi thép có nhiều bậc để gần hình trụ nhất (hình 1.3c)

1.3.2 Cuộn dây máy biến áp

Cuộn dây là mạch điện của máy biến áp, thường được làm bằng đồng, rất hiếm khi làm bằng nhôm Tuỳ thuộc vào công suất, thiết diện các dây dẫn có thể là

Hình 1.2 Lõi thép và cuộn dây máy biến áp 1-gông từ, 2-cột

1

2 2

a)

b)

c)

Hình 1.3 Cấu trúc cột lõi thép của các biến áp a),b) công suất nhỏ c) công

suất lớn.

2

hình tròn(công suất nhỏ) hoặc hình chữ nhật (công suất lớn), cách điện của cuộn dây thường là các-tông, prespan tẩm dầu, vải sợi

Cuộn dây biến áp phải đạt các yêu cầu sau:

-Có hệ số sử dụng đồng cao nhất, hiệu suất lớn nhất;

-Thoát nhiệt dễ dàng, đảm bảo đúng tiêu chuẩn;

-Đảm bảo độ bền cơ học để chống các lực điện động, đặc biệt khi xảy ra ngắn mạch

Căn cứ vào cách đặt cuộn dây hạ áp và cao áp người ta chia ra làm 2 loại: -Loại lồng vào nhau(hình 1.4a)

-Loại xếp tuần tự(hình 1.4b)

Thông thường cuộn thấp áp được đặt bên trong (gần lõi) vì dễ cách điện với lõi hơn là cách điện với điện áp cao

1.3.3 Các bộ phận phụ

a- Bể đựng dầu

Bất kể loại biến áp nào cũng phải bảo vệ Những biến áp có công suất lớn thì vỏ máy ngoài nhiệm vụ bảo vệ các phần bên trong, nó còn là bể chứa dầu Dầu biến áp là chất cách điện nhưng rất háo nước Khi có nước độ cách điện của dầu giảm do đó bể đựng dầu phải kín Thành bể có cánh tản nhiệt để làm tăng diện tích tản nhiệt Trên đỉnh bể dầu đặt bình dầu con có bộ phận theo dõi mực dầu trong bể

b-Đầu đấu dây vào, ra

Khi điện áp cao, đầu đấu dây vào, ra thường dùng sứ cách điện Loại điện

áp thấp dùng cọc đồng được cách điện với vỏ và với nhau

1.4 Nguyên lý hoạt động của máy biến áp

Trên hình 1.5 biểu diễn sơ đồ máy biến áp một pha Giả sử khoá K mở

dây, còn cuộn dây nối với tải gọi là cuộn thứ cấp có W2 vòng dây

Nếu bây giờ ta cấp cho cuộn W1 một điện áp xoay chiều u1 có tần số f thì dòng điện chạy trong cuộn sơ cấp là i1 và stđ do nó tạo ra là F1=i1W1

1 1 1

2 2

Hình 1.4 Cách đặt cuộn dây vào lõi thép a) lồng vào nhau

b) Xếp thứ tự

Từ thông do i1 sinh ra khép kín trong lõi thép gọi là từ thông chính, ký hiệu

là φ1 và từ thông khép kín qua không khí gọi là từ thông tản, ký hiệu là φt1 Do dòng biến đổi nên từ thông chính biến đổi, nó cảm ứng trong cuộn dây W1 mộtsđđ cảm ứng e1 xác định bằng công thức:

e1 = -W1

dt

dφ1

(1.1)

một sđđ e2 :

e2 = -W2

dt

Bây giờ đóng khoá K, sđđ e2 sẽ gây chạy dòng i2 qua tải (Zt) Dòng i2 lại sinh ra stđ F2=i2W2 Stđ này sinh ra từ thông φ2 khép kín qua lõi thép và các từ thông tản φt2 khép kín qua không khí Như vậy khi dòng i2≠0 trong biến áp có 2 từ trường, một do dòng i1 sinh ra còn một do dòng i2 sinh ra Trong lõi thép tồn tại 2

từ thông , 2 từ thông này tác động lên nhau để tạo ra một từ thông tổng φ đồng thời

có 2 loại từ thông tản:từ thông tản của cuộn W1 và của W2

Dùng tổng từ thông móc vòng, sđđ e1 và e2 có thể viết:

e1 =

-dt

dψ1

(1.2a)

e2 =

-dt

Trong đó ψ1=W1φ còn ψ2=W2φ

Hai từ thông tản φt1, φt2 sẽ sinh ra 2 sđđ tự cảm trong cuộn W1, W2 theo biểu thức sau:

et1=-L1

dt

di1

(1.3)

et2=-L2

dt

di2

(1.4)

Vì từ thông tản khép kín qua không khí là môi trường có độ thẩm từ không đổi nên L1=const, L2=const và là độ tự cảm tản của cuộn W1 và W2

Theo định luật Kiêc-khốp cho mạch sơ cấp ta có:

φ1

φ1

φt2

ut1

Hình 1.5 Sơ đồ giải thích nguyên lý hoạt động của biến áp.

K

φt1

u1+e1+et1=i1r1 (1.5)

Trong đó r1-điện trở thuần cuộn dây sơ cấp

Biến đổi ta có:

Hay: u1 = - (-i1r1+e1+et1)

Phương trình này gọi là phương trình cân bằng sđđ ở mạch sơ cấp, trong đó

u1- điện áp lưới, còn e1+et1+(-i1r1) là sự phản ứng của mạch khi cấp điện áp u1

Ta thấy e1 và et1 là sđđ được tạo ra bằng từ trường, còn –r1i1 coi là sđđ chống lại dòng i1 khi nó chạy qua r1 Thay e1 và et1 ta có:

u1=

dt

dψ1 +L

1

dt

di1

Nếu gọi ψ10 - là toàn bộ từ thông móc vòng với cuộn sơ cấp thì:

u1

=-dt

dψ10 +r

Tương tự cho mạch thứ cấp:

dt

dψ2 +L

2

dt

di1

= u2 +i2r2 → e2+et2 = u2 +i2r2 (1.9) Hay:

Vế trái của (1.10) ta để ‘0’ là chứng tỏ phía thứ cấp không chịu tác động của điện áp lưới Hay nói cách khác, phía thứ cấp không có nguồn điện cung cấp Nếu gọi ψ20 là tổng từ thông phía thứ cấp ta có thể viết:

dt

dψ20 = u

Nếu bỏ qua tổn hao trong lõi thép và cho rằng độ thẩm từ trong lõi thép không đổi ta có:

ψ10 = L1i1+M21i2

ψ20 = L2i2+M12i1

Trong đó L1, L2 là độ tự cảm của cuộn dây W1, W2, còn M12=M21=M là độ cảm ứng tương hỗ(hỗ cảm) giữa các cuộn 1 và 2

Cuối cùng ta có:

u1= L1

dt

di1

+M

dt

di2

+i1r1 0= L2

dt

di2

+M

dt

di1

+i2r2+u2 Đây là mạng 2 cửa

Nếu i10, i1, i2 tuần tự là dòng sơ cấp khi không tải, dòng sơ cấp khi tải và dòng thức cấp thì phương trình cân bằng stđ của biến áp như sau:

Khi điện áp u1 là hình sin, sử dụng số phức thì (1.5) và (1.6) và (1.13) có dạng sau:

(1.11)

(1.12)

•

1

•

E +E•t1=r1

1

•

+

•

2

E E•t2 = •2

U +r2

2

•

10

•

Biến đổi (1.5a) ta có:

1

•

U =-(E•1+E•t1)+r1 1

•

•

U =-E•1-E•t1+r1 1

•

I

Khi điện áp u1 là hình sin thì i1 cũng là hình sin do đó khi chuyển sang số phức et1=-L1

dt

di1

có dạng: E•t1=-jL1ω 1

•

I Đặt L1ω=X1 - trở kháng tản cuộn sơ cấp, vậy (1.5a) bây giờ có dạng:

1

•

U =-E•1+jX1 1

•

I +r1 1

•

I và tương tự (1.6a) có dạng:

2

•

U =E•2-jX2I•2- r2I•2

Trong đó et2 ở dạng số phức E•t2 =-jL2ω 2

•

I và X2=L2ω là trở kháng tản cuộn thứ cấp Gộp lại ta được:

1

•

U =-E•1+jX1I•1+r1I•1 =-E•1+(jX1+r1 )I•1=-E•1+Z1I•1

2

•

U =E•2-jX2I•2- r2I•2 =U•2=E•2-(jX2+ r2 )I•2= U•2=E•2-Z2I•2

Trong đó Z1= r1+jX1, Z2= r2 +jX2 là tổng trở của cuộn sơ cấp và thức cấp

1.5 GIÁ TRỊ HIỆU DỤNG SĐĐ CẢM ỨNG TRONG CUỘN DÂY VÀ

HỆ SỐ BIẾN ÁP

1.5.1 Giá trị hiệu dụng sđđ cảm ứng trong cuộn dây

Giả sử từ thông có dạng φ =φmaxcosωt thì giá trị tức thời etính như sau:

e1= -W1(φmaxcosωt)’=W1φmaxsinωt.ω=2πfW1φmaxsinωt= Emax1sinωt

Trong đó Emax =2πfW1φmax= 2E1

Vậy giá trị hiệu dụng của sđđ cảm ứng trong cuộn sơ cấp là:

Tương tự giá trị hiệu dụng sđđ cuộn dây thứ cấp bằng:

Khi không tải, độ sụt áp trên tổng trở Z1 rất nhỏ nên có thể coi U1=E1 Do đó nếu điện áp lưới cung cấp không đổi thì từ thông φ =E1 /4,44fW1=U1/4,44fW1 = const

1.5.2 Hệ số biến áp.

Hệ số biến áp được định nghĩa như sau:

Ku=

2

1

E

E

=

2

1 2

1

W

W U

U

=

Từ đây ta thấy nếu W1>W2 đây là máy biến áp hạ áp (ku>1)

W1<W2 đây là máy biến áp tăng áp (ku<1)

W1=W2 đây là máy biến áp cách li áp (ku=1)

CHƯƠNG 2

CHẾ ĐỘ KHÔNG TẢI CỦA MÁY BIẾN ÁP

2.1 Khái niệm

Khi nghiên cứu máy điện người ta thường nghiên cứu máy ở những chế độ khác nhau như: chế độ không tải, chế độ tải (làm việc) và chế dộ ngắn mạch Ở những máy điện quay, người ta còn nghiên cứu máy ở chế độ khởi động

Chế độ không tải của máy biến áp được định nghĩa như sau:

Chế độ không tải là chế độ khi cuộn sơ cấp được nối với lưới điện cung cấp còn cuộn thứ cấp để hở

Ở chế độ này dòng điện chỉ chạy trong cuộn sơ cấp và gọi là dòng điện không tải Để đơn giản ta nghiên cứu máy biến áp một pha làm việc ở chế độ ổn định, được cấp điện từ nguồn điện áp hình sin (hình 2.1)

2.2 Sơ đồ tương đương, đồ thị véc tơ

a.Sơ đồ tương đương

Khi phải nghiên cứu các tính chất của máy biến áp, người ta thường dựa trên sơ đồ tương đương của máy biến áp mà không nghiên cứu trực tiếp ở máy biến áp thật

Bản chất của sơ đồ tương đương là thay thế máy biến áp thực bằng một sơ

đồ điện tương ứng Sơ đồ này phải đảm bảo được tất cả các tính chất, các hiện tượng của máy thực

Ta có thể xây dựng một sơ đồ tương đương mô tả tỷ mỷ các hiện tượng của máy thật, song xây dựng một sơ đồ như thế gặp rất nhiều khó khăn, tốn kém và cũng không cần thiết

Do vậy người ta thường xây dựng sơ đồ tương đương đơn giản Lúc này có thể bỏ qua những hiện tượng không đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu và chỉ giữ lại những hiện tượng cần thiết

Gọi Xµ-trở kháng liên quan tới từ thông chính;

X1- trở kháng liên quan tới từ thông tản cuộn sơ cấp;

R1- Điện trở thuần cuộn sơ cấp;

φ 1

φ 1

φ t1

φ t2

u t1

Hình 2.1 Sơ đồ máy biến áp không tải.

K

φ t1

RFe- điện trở liên quan tới tổn hao từ của lõi thép (fucô và từ trễ).

Giá trị của RFe phải chọn sao cho nhiệt thải ra khi có dòng điện chạy qua, phải bằng chính số nhiệt lượng của máy biến áp tạo ra do tổn hao sắt từ khi nó làm việc Khi tần số f=const thì Xµ, X1, R1,RFe có giá trị không đổi (giả thiết giá trị hệ

số nhiệt bằng 1) Khi f=var do hiện tượng hiệu ứng mặt ngoài các giá trị trên thay đổi chút ít Xµ còn phụ thuộc vào độ bão hoà lõi thép Khi xây dựng sơ đồ tương đương ta bỏ qua: tổn hao cách điện do từ trường biến đổi, dòng dò dung kháng, dòng dò giữa các vòng dây và vỏ Khi tần số lớn thì ta phải chú ý tới các hiện tượng trên Sơ đồ tương đương của máy biến áp ở chế độ không tải biểu diễn ở hình 2.2 và 2.3

Dòng không tải I10 (thường ký hiệu là I0) gồm 2 thành phần: dòng kích từ Iµ

là dòng cảm kháng sinh ra từ thông chính và dòng tác dụng IFe liên quan tới tổn hao sắt từ Hai dòng này lệch pha nhau 900 Ta có các phương trình sau đây:

µ

•

•

•

+

=I I

0 1 1

•

•

•

+

−

= E I

b.Đồ thị véc tơ

Mục đích xây dựng sơ đồ véc tơ là tìm giá trị U1 khi cho các thông số của máy biến áp:r1, X1, Xµ, RFe, các đại lượng dòng IFe, Iµ

Để dựng đồ thị véc tơ ta giả thiết như sau:

-Chiều các véc tơ như hình 2.2;

-Máy biến áp chưa bão hoà nên Iµ và φ trùng nhau

Thực hiện dựng đồ thị véc tơ như sau: Ta nhận trục hoành là trục của từ thông Theo hướng từ thông đặt véc tơ Iµ Từ mút của véc tơ I−µ ta đặt véc tơ I−Fe vuông góc với véc tơ I−µ Nối đầu véc tơ I−µ với cuối véc tơ I−Fe ta được véc tơ

0

−

I Véc tơ −E−1 vuông góc với φ Theo (2.5) ta dựng véc tơ −E−1.Từ mút của véc

tơ này ta đặt một véc tơ song song với véc tơ I−0 có độ dài I0r1 Từ cuối véc tơ I0r1

I

10

U

1

r

1 X

1 IFe Iµ

RFe E1 Xµ

Hình 2.2 Sơ đồ tương đương máy biến ápHình 2.3 Sơ đồ tương đương máy biến áp dạng mắc song song dạng mắc nối tiếp

r1 X1

U1

I

10

R0 X

0

ta dựng véc tơ vuông góc với nó và có độ dài I0X1 Nối cuối véc tơ −E−1 với véc tơ này ta được U−1

Đồ thị véc tơ của biến áp khi không tải biểu diễn trên hình 2.4

Thực tế I0Z1=I0r1+jI0X1 rất nhỏ nên có thể chấp nhận:U1≈E1

Trên hình 2.4 ta không vẽ đúng tỷ lệ nhằm làm sáng sủa sơ đồ

Dòng không tải của biến áp có giá trị rất nhỏ chỉ bằng 1=10% giá trị dòng định mức(số nhỏ cho biến áp công suất lớn, số lớn cho biến áp công suất nhỏ)

Chú ý: Điện trở R0 và X0 ở sơ đồ 2.3 có thể tính được từ sơ đồ hình 2.2 Cụ thể như sau:

Fe

Z X

R R

2

2

1 (

1

= +

µ

(2.3)

µ

Z X

R

X Fe

2

2

1 (

1

=

Trong đó Z=

2 2

1 1 1

µ

X

Sở dĩ như vậy vì:

2 2

2

2 2

2

2 2 0

) (

1 1 1

Fe

Fe Fe

Fe Fe

Fe Fe

Fe

Fe

R jX R

X

R X R

X

jR X R jX jR

X

R X jX

R

+

=

−

= +

=

µ

µ µ

µ µ

µ µ

µ

µ µ

và Z0=R0+jX0

2.3 Các đặc tính ở chế độ không tải

1

−

U

1

−

1

−

E

0

−

I

Iµ

IFe

ϕ0

Hình 2.4 Đồ thị véc tơ máy biến áp khi không tải

φ

a-Đặ tính dòng không tải

Khi nghiên cứu các quá trình xảy ra ở bất kỳ máy điện nào, chúng ta cũng phải xác định xem cái gì là nghuyên nhân, cái gì là hậu quả của hiện tượng đó Nguyên nhân là các đại lượng cho trước từ bên ngoài, hậu quả là những đại lượng xuất hiện do tính chất của dụng cụ, của thiết bị điện

Tính chất của thiết bị điện do người chế tạo quyết định, những đại lượng đó là: kích thước, vật liệu mạch từ, mạch điện, loại và số vòng dây v.v Khi nghiên cứu tính chất động của thiết bị điện, ta coi các thông số chế tạo đã cho Giá trị của mỗi đại lượng này có thể không đổi, có thể thay đổi (ví dụ:điện trở tác dụng phụ thuộc vào nhiệt độ, tần số, trở kháng phụ thuộc vào tần số và độ bão hoà từ v.v.)

Khi các đại lượng bên trong thay đổi, sẽ xuất hiện mối liên hệ phụ giữa các đại lượng với nhau và làm cho vấn đề phức tạp thêm

Ở biến áp những đại lượng cho trước là: điện áp nguồn cung cấp, tần số f, chúng có giá trị không đổi

Từ thông của biến áp tính được:

1

1 1

1

W 44 , 4 W

44 ,

Từ biểu thức này ta thấy nếu f=const, W1=const thì từ thông sẽ tỷ lệ với điện áp (U1)

Tiếp theo từ thông, đại lượng hậu quả thứ 2 là dòng I0

I0 µ

µ

X

E

I = 1

≈

(2.7) Nếu Xµ =const ta có thể tính I0 từ (2.7) Biến áp không khí có Xµ=const, còn các loại biến áp khác đều có Xµ= var Để tính dòng Iµ trong những biến áp này,

ta phải dựa vào đường nhiễm từ của lõi thép và điện áp nguồn nạp U1

thay đổi, ta dựng đặc tính không tải của biến áp Đó là mối quan hệ giữa I0=f(U1) khi f=const, W1=const Trên hình 2.5 biểu diễn các đặc tính này

0,05

0,1

0,15

0,20

I0/Iđm

U1/Uđm

I0=f(U1) khi f=const 0,01

0,02 ∆ P Fe

U 1 /U đm

∆ P Fe =f(U 1 ) khi f=const

a)

b) Hình 2.5 Đặc tính không tải của máy biến áp: a) Đặc tính I 0 =f(U 1 ) khi f=const;

b) Đặc tính ∆ P Fe =f(U 1 ) khi f=const