SO DO THAY THE MAY BIEN AP

Dotính cấp thiết của vấn đề với sự hướng dẫn của T.S Nguyễn Hồng Quảng tôi xin nêu ra đề tài ”sơ đồ thay thế máy biến áp” để các bạn sinh viên làm tài liệutham khảo phục vụ học tập và ng

Ở bậc đại học, thiết bị máy biến áp dùng trong học tập và nghiên cứucòn nhiều hạn chế, giáo trình kĩ thuật điện được biên soạn theo chương trìnhkhung của các trường đại học khối kĩ thuật công nghiệp Giáo trình được biênsoạn trên cơ sở vật lí ở bậc phổ thông, phần điện môn vật lí đại cương ở bậcđại học nên không đi sâu vào mặt lí luận các hiện tượng mà chủ yếu nghiêncứu các phương pháp tính toán và ứng dụng kĩ thuật của các hiện tượng điệntừ.

Ở trường Đại Học Vinh, theo quy chế học tín chỉ, nhiÒu tiết học môn

kỉ thuật điện là sinh viên tự học, tự nghiên cứu Mặt khác học phân kĩ thuậtđiện tương đối khó, sinh viên chỉ nghe giáo viên giảng lí thuyết rất ít khi đượctrực tiếp tiếp xúc để nghiên cứu và tính toán các bài toán máy biến áp Nêngây cho sinh viên tâm lí chán nản, không muốn tự tìm tòi nghiên cứu Vì vậynhiều sinh viên có kết quả thi häc phÇn kh«ng cao

Trong lĩnh vực chế tạo, nghiên cứu về máy biến áp, đòi hỏi phải am hiểusâu sắc được cấu tạo, nguyên lí làm việc của máy biến áp, và nghiên cứu tíchcực về máy biến áp th× có thể áp dụng để thiết kế máy biến áp Máy biến áp

ở chế độ không tải công suất đưa ra phía thứ cấp bằng không,chế độ có tảingười ta đưa ra hệ số k để đánh giá mức độ tải k=1 máy hoạt động bìnhthường tổn hao đồng khá nhỏ có thể bỏ qua, chỉ có tổn hao sắt từ Nhưng k<1non tải hiệu suất máy làm việc sẽ thấp, nếu k>1 quá tải máy có thể bị cháy

nổ Vì vậy có thể áp dụng để giải những bài toán của máy biến áp, hoặc đểnghiên cứu, để thiết kế máy biến áp, ta cần có phương tính toán đúng đắn Do

tính cấp thiết của vấn đề với sự hướng dẫn của T.S Nguyễn Hồng Quảng tôi

xin nêu ra đề tài ”sơ đồ thay thế máy biến áp” để các bạn sinh viên làm tài liệutham khảo phục vụ học tập và nghiên cứu về máy biến áp

2 Mục đích nghiên cứu:

§Ò tµi làm rõ những thuận lợi của việc áp dụng sơ đồ thay thế máy biến áptrong việc tính toán các đặc tính của máy biến áp và thuận lợi của nó trong phân tíchnghiên cứu máy biến áp

3 Giả thiết khoa học:

Thông qua quá trình tìm hiểu sơ đồ thay thế máy biến áp giúp ta thuËntiÖn hơn trong tính toán các đặc tính của máy biến áp, áp dụng sơ đồ thaythế máy biến áp trong phân tích nghiên cứu máy biến áp

4 Phương pháp nghiên cứu:

Phương pháp lí thuyết: Vận dụng các kiến thức đã học học phần điện kĩthuật, các tài liệu tham khảo, các luận văn, bài tiểu luận về máy biến áp tàiliệu trên mạng internet về máy biến áp nói chung và sơ đồ thay thế máy biến

áp nói riêng để nghiên cứu

Phương pháp thực nghiệm: Bài thí nghiệm về máy biến áp ở phòng kĩthuật điện ở trường Đại Học Vinh

5 Nội dung chính của đề tài: Đề tài gồm 2 chương:

Chương I: Đại cương về máy biến áp.

Chương II: Sơ đồ thay thế máy biến áp vµ øng dông

PHẦN II: NỘI DUNG

Chương I: ĐạI CƯƠNG Về MáY BIếN áP

1.1 Khỏi niệm chung về mỏy biến ỏp

1.1.1 L ịch sử ra đời và phát triển của máy biến áp.

Cú thể núi phỏt minh ra mỏy biến ỏp liờn quan mật thiết với thớ nghiệmđúng ngắn mạch Ruhmkorff của Elih-ThomSon Mỏy biến ỏp đầu tiờn đượcchế tạo vào khoảng năm 1878-1879 dựng cấp điện thắp sỏng Năm 1891 tạiAnh hóng Ferant đó chế tạo được mỏy biến ỏp cú cụng suất 111,9kw,kiểu bọcđiện ỏp 10/2,4kv,lừi thộp được chế tạo bằng cỏch dựng cỏc lỏ thộp quấn lạicỏch điện bằng giấy

Mỏy biến ỏp khụng ngừng được hoàn thiện năm 1906 người ta bắt đầu dựng dầu làm mỏt mỏy mạch từ bằng tụn silic, nờn tổn hao lỏi thộp giảm nhiều Đến trước đại chiến thế giới thứ, người ta sử dụng mỏy biến ỏp trongnhiều lĩnh vực: Mỏy biến ỏp đo lường, mỏy biến ỏp lũ, mỏy biến ỏp hàn…

b Dũng điện định mức:

Dũng điện định mức là dũng điện quy định cho mỗi cuộn dõy của mỏybiến ỏp ứng với cụng suất định mức.Đối với mỏy biến ỏp 3 pha dũng điệnđịnh mức dũng điện dõy.Đơn vị dũng điện ghi trờn mỏy thường là ampe dũng

điện sơ cấp định mức kí hiệu là I1đm Dòng điện thứ cấp định mức kí hiệu là

I2đm

c Công suất định mức:

Công suất định mức của máy biến áp là công suất biến thiên trên cáccực của dây quấn thứ cấp ở chế độ làm việc định mức do nhà máy sản xuấtmáy biến áp quy định Công suất định mức kí hiệu là Sđm, đơn vị KVA

Đối với máy biến áp một pha công suất định mức là:

1.1.3 Công dụng của máy biến áp:

Máy biến áp có nhiều ứng dụng nhưng quan trọng nhất là việc truyền tải

và phân phối điện năng đi xa

Khi cần truyền tải công suất điện lớn trên một đường dây dài từ nhàmáy điện đến nơi tiêu thụ, nếu ta tăng điện áp của dây lên cao thì tổn thấtcông suất và tổn thất điện áp trên đường dây giảm đi

1.2.Cấu tạo của máy biến áp:

Máy biến áp có ba bộ phận : Lõi thép ,dây quấn và vỏ máy

1.2.1 Lõi thép:

Lõi thép dùng để dẫn từ thông cho máy vì thế thường làm bằng thépsilisium còn gọi là thép kĩ thuật, là loại thép từ tốt

Để giảm dòng điện xoáy (còn gọi là dòng điện phu cô) trong lõi thépngười ta không đúc lõi thép thành một khối đặc mà dùng nhiều lá thép mỏng

có chiều dày từ 0,35-0,5mm ghép lại Trên mặt các lá thép đều có bôi sơncách điện Nhờ cách ghép như vậy dòng điện xoáy giảm đi nhiều, do đó thépbớt nóng, tổn hao công suất giảm đi, hiệu suất của máy cao hơn

Lõi thép sau khi ghép lại gồm có trụ và gông Trụ là bộ phận có dâyquấn, gông là bộ phận để ghép kín các trụ với nhau và không dây quấn

1.2.2 Dây quấn:

Dây quấn máy biến áp thường là dây đồng tiết diện hình tròn hoặc hìnhchữ nhật có bọc chất cách điện bằng một lớp sơn hay các sợi vải dệt baoquanh dây Dây quấn quanh trụ lõi thép, thông thường máy biến áp có hai dâyquấn Dây quấn với nguồn điện gọi là dây quấn sơ cấp Dây quấn nối với phụtải gọi là dây thứ cấp

Dây quấn thường quấn đồng tâm xung quanh trụ thép Dây quấn thấp ápquấn ở phía trong gần trụ thép Dây quấn cao áp quấn ở phía ngoài bọc lấydây quấn thấp áp Quấn như vậy sẽ giảm nhẹ được vật liệu cách điện vì dâyquấn cao áp chỉ cần cách điện với dây quấn thấp áp mà không cần phải cáchđiện với trụ Đối với máy biến áp kiểu bọc, dây quấn cao áp và thấp ápthường quấn thành đĩa xen kẽ nhau

1.2.3 Vỏ máy:

Dùng để bảo vệ các bộ phận bên trong của máy và đựng dầu máy biến

áp Vỏ máy gồm thùng hình bầu dục, bên trong đặt lõi thép, dây quấn và đựngdầu Dầu máy biến áp dùng để làm lạnh và tăng cường cách điện cho máy

Ở các máy công suất nhỏ, vỏ thùng dầu phẳng Ở các máy công suất lớn,

vỏ thùng có nhiều ống để tản nhiệt tốt Trên nắp vỏ máy có các sứ xuyên cao

áp và thấp áp, để cách điện giữa các đầu ra của dây quấn cao áp và thấp ápvới vỏ Ngoài ra còn có các bộ phận khác như màng bảo vệ, bình đựng dầu,

1.3 Nguyên lí làm việc của máy biến áp:

Trên hình (1.1) vẽ sơ đồ nguyên lý của máy biến áp một pha có 2 dâyquấn w1và w2

Khi ta nối dây quấn sơ cấpw1 vào nguồn điện xoay chiều áp u1 sẽ códòng điện sơ cấp i1 chạy trong dây quấn w1 Dòng điện i1 sinh ra từ thôngbiến thiên chạy trong lõi thép, từ thông này móc vòng (xuyên qua) đồng thờivới cả hai dây quấn sơ cấp w1 và thứ cấp w2 được gọi là từ thông chính

Theo định luật cảm ứng điện từ, sự biến thiên của từ thông làm cảm ứngvào dây quấn sơ cấp sức điện động là:

dt

d w

e2   2  (1.2)Trong đó w1, w2là số vòng dây quấn thứ cấp và sơ cấp Khi máy biến ápkhông tải, dây quấn thứ cấp hở mạch, dòng thứ cấp I2=0, từ thông chính tronglõi thép chỉ do dòng sơ cấp I0 sinh ra

Khi máy biến áp có tải, dây quấn thứ cấp nối với tải có tổng trở zt, dướitác động của sức điện động e2, có dòng điện thứ cấp i2 cung cấp cho tải Khi

ấy từ thông chính do đồng thời cả hai dòng sơ cấp i1 và thứ cấp i2 sinh ra

Điện áp u1 sin nên từ thông cũng biến thiên sin ta có:

4 fw

max 2 sin t (  2) =E1

4 fw

max 2 sin t (  2) =E2

2 sin t (  2)

(1.4) Trong đó:

k được gọi là hệ số biến áp.

Nếu bỏ qua điện trở dây quấn và từ thông tản ra bên ngoài không khí,

Đối với máy giảm áp có: U2<U1; w2<w1

Như vậy dây quấn sơ cấp và thứ cấp không được trực tiếp liên hệ vớinhau về điện nhưng nhờ có từ thông, năng lượng đã được truyền từ dây quấn

sơ cấp sang thứ cấp

Nếu bỏ qua tổn hao trong máy biến áp, có thể là gần đúng, quan hệgiữa các lượng sơ cấp và thứ cấp như sau:

Ở mạch thứ cấp lại có tổn hao đồng phía thứ cấp với công suất:

2 2

1

p

p pđ pđ

p       st

(1.9) Hiệu suất máy biến áp rất cao (ở những máy công suất trung bình hiệusuất khoảng 90 0) do đó, gần đúng ta có thể coi công suất máy biến áp nhậnvào ở phía sơ cấp, bằng công suất máy điện đưa ra ở phía thứ cấp: U1I1 U2I2

Rút ra: k

U

U I

Ta thấy: khi tăng điện áp thứ cấp lên klần so với điện áp sơ cấp, thìdòng điện thứ cấp giảm đi klần so với dòng điện sơ cấp

1.4 Mô hình tính toán của máy biến áp.

Để thiết lập mô hình tính toán trước hết xét quá trình điện từ trong máybiến áp

1.4.1 Quá trình điện từ trong máy biến áp.

Trên hình (1.3), trình bày máy biến áp một pha hai dây quấn trong đódây quấn sơ cấp nối với nguồn, dây quấn thứ cấp nối với tải có tổng trở Z t.Điện áp u1sinh ra dòng điện i1 có chiều như hình (1.3) Theo quy tắc vặn nútchai, chiều  phù hợp với chiều i1 , chiều e1,e2 phù hợp với chiều  nghĩa là

1

e và i1, trùng chiều Chiều i2được chọn ngược chiều e2, nghĩa là chiều i2

không phù hợp với chiều  theo quy tắc trên Dòng điện i1và i2sinh ra từthông trong máy

Ngoài từ thông chính  chạy trong lõi thép như đã nói ở trên, trongmáy biến áp còn có từ thông tản Từ thông tản không chạy trong lõi thép màchạy tản ra ngoài không khí, các vật liệu cách điện v…v… Từ thông tản khépmạch qua các vật không sắt từ, có độ dẫn từ kém, do đó từ thông tản nhỏ rấtnhiều so với từ thông chính Từ thông tản chỉ móc vòng riêng rẽ với mỗi dâyquấn Từ thông tản móc vòng sơ cấp kí hiệu là t1 do dòng điện sơ cấp i1 gây

ra Từ thông tản móc vòng thứ cấp t2, do dòng điện thứ cấp i2 gây ra Từthông tản được đặc trưng bằng điện cảm tản.

Điện cảm tản dây quấn cấp L1 là:

1.4.2 Phương trình điện áp sơ cấp

Chúng ta xét mạch điện sơ cấp, gồm nguồn điện áp U1, sức điện động

e1, điện trở dây quấn sơ cấp R1, điện cảm tản sơ cấp L1 Áp dụng định luậtKiếchốp 2 ta có phương trình điện áp sơ cấp viết dưới dạng trị số tức thời là:

1 1 1 U1 e1

dt

di L i

Hoặc chuyển vế ta có:

1 1 1

dt

di L i R

Nếu viết dưới dạng số phức

Tổng trở phức dây quấn sơ cấp là:

Z1 R1 jL1 R1J1X1 (1.14)Trong đó: X1=L1 là điện kháng tản dây quấn sơ cấp

Phương trình điện áp sơ cấp viết dưới dạng số phức là:

U1 R1I1 JX1 I1 E1 Z1I1  E1 (1.15)

1.4.3 Phương trình điện áp thứ cấp.

Mạch điện thứ cấp gồm sức điện động e1, điện trở dây quấn thứ cấp

R2, điện cảm tản dây quấn thứ cấp L2, tổng tải Zt Phương trình Kiếchốp 2 viếtdưới dạng trị tức thời là:

2 2 2 2 U2 e2

dt

di L i

Hoặc chuyển vế ta có:

dt

di L i R e

2 2 2 2

Nếu viết dưới dạng số phức, tổng trở phức dây quấn thứ cấp là:

2 2 2 2

2 E R I JX I E Z I

U             (1.18) Điện áp thứ cấp U.2 chính là điện áp đặt lên tải do đó

từ động cả 2 dây quấn sơ cấp và thứ cấp sinh ra Sức từ động lúc có tải

Vỡ  max khụng đổi , cho nờn sức từ động khụng tải bằng sức từ động lỳc

cú tải, do đú ta cú phương trỡnh sức từ động dưới dạng tức thời sau:

2 2 1

2 1 2 1 1

2 2 1 0

1 1

i i k i i w w i i w

w i i

2

i là dũng điện thứ cấp đó quy đổi về phớa sơ cấp

Phương trỡnh sức từ động dưới dạng số phức

I1 I0 I2  (1.21)Phương trỡnh sức từ động cho ta thấy rừ quan hệ giữa dũng điện sơ cấp

và dũng điện thứ cấp

Hệ 3 phương trỡnh điện và từ (1.13,1.16,1.20, hoặc 1.15,1.18,1.21)

Mụ hỡnh tớnh toỏn của mỏy biến ỏp là cơ sở để tụi đưa ra sơ đồ mỏy biến ỏp

Chương II: Sơ Đồ Thay Thế Mỏy Biến Áp Và Ứng Dụng

2.1 Quy đổi các đại lợng thứ cấp về sơ cấp.

Để nghiờn cứu ứng dụng của sơ đồ thay thế mỏy biến ỏp, ta đi vàonghiờn cứu về tỏc dụng của sơ đồ thay thế trong việc phản ỏnh quỏ trỡnh nănglượng của mỏy biến ỏp, thuận lợi cho việc phõn tớch, nghiờn cứu mỏy biến ỏp

Để đặc trưng và tớnh toỏn cường độ cỏc quỏ trỡnh năng lượng trong mỏybiến ỏp, ta cú thể thay nú bằng sơ đồ tương đương, gọi là sơ đồ thay thế Việcthành lập sơ đồ thay thế mỏy biến ỏp, tương tự thành lập sơ đồ thay thế cuộndõy lừi thộp

Trước tiờn, ta cú thể đặc trưng hiện tượng tiờu tỏn năng lượng trờn dõyquấn sơ cấp và thứ cấp, tương ứng bằng cỏc điện trở R R1 , 2 Đồng thời đặc

trưng hiện tượng tích phóng năng lượng của từ trường tản sơ và thứ cấp,tương ứng bằng các điện kháng tảnXt1, Xt2(hình 2.1a).

Ở sơ đồ (2.1.b )hai sơ đồ mạch điện sơ cấp và thứ cấp không liên hệ trựctiếp với nhau về điện; năng lượng chuyển từ sơ cấp sang thứ cấp thông qua từtrường lõi thép Bây giờ, bằng cách nâng điện áp thứ cấp lên bằng điện áp sơcấp, và thay đổi các thông số sơ đồ mạch điện thứ cấp, ta có thể nối liên hệgiữa hai sơ đồ mạch điện sơ cấp và thứ cấp ở hình (2.1a) lại với nhau như sơ

đồ 2.1b việc nối liên hệ này phải thực hiện sao cho vẫn đảm bảo quá trìnhnăng lượng trong máy biến áp không có gì thay đổi Muốn vậy, khi đã có điện

áp thứ cấp được nâng lên k lần:

Năng lượng dòng mang tới cuộn dây lõi thép là năng lượng tiêu tán dotổn hao sức từ và năng lượng tích phóng của từ trường trong lõi Vì vậy, ta cóthể đặc trưng cuộn dây lõi thép ở sơ đồ hình 2.1b bằng các nhánh mạch điện,

có điện trở r0 nối tiếp với điện kháng X0:

0 2

0

st

P R I

Thực tế I0thường rất nhỏ so vớiI1 , nên nhiều trường hợp để đơn giảntính toán ta có thể bỏ qua nhánh từ hóa Z0 Sơ đồ thay thế lúc đó gọi là sơ đồthay thế đơn giản (hình 2.3); trong đó: R ng  R1 R2 và X ng X1 X t2, gọi làđiện trở và điện kháng ngắn mạch của máy biến áp

Hình 2.4 vẽ đồ thị vectơ của sơ đồ thay thế đơn giản máy biến áp

Lấy U 2 làm mốc; dòng I1 I2  chậm sau U 2 một góc 2

'pt

pt

R arctg X

 

� Điện áp

sơ cấp U1 sẽ bằng:

U1 U2 � I Z1 ng U2 � I R1 ng  jI X1 ng

Từ mô hình tính toán:

U1 Z1I1 E1 (2.7)

2 2 2

2.2 Thiết lập sơ đồ thay thế máy biến áp.

Bây giờ ta xét phương trình (2.7) vế phải phương trình gồm: Z1I1 làđiện áp rơi trên tổng trở dây quấn Z1, và  E1 chính là điện áp rơi trên tổng trở

R th là điện trở từ hóa đặc trương cho tổn hao sắt từ

2

0

I R

p st  th



Thay giá trị -E.1 vào hệ 3 phương trình máy biến áp, cuối cùng ta có:

U1 Z1I1 Z th I0 (2.11)

U2  Z th I0 Z2 I2  (2.12)

Hệ 3 phương trình (2.11,2.12,2.13 ) chính là 2 phương trình Kiếchốp 2

và 1 phương trình Kiếchốp 1 viết cho mạch điện (hình 2.1a) Nhánh có Z th

được gọi là nhánh từ hóa

Thông thường tổng trở nhánh từ hoa rất lớn, dòng điện I0 nhỏ, do đó

có thể bỏ nhánh từ hóa, ta có sơ đồ thay thế gần đúng (hình 2.1b)

Sơ đồ gần đúng được sử dụng nhiều trong tính toán các đặc tính củamáy biến áp Trong sơ đồ gần đúng (2.1b)

R n R1 R2 

X n X1 X2 

2.3 Chế độ không tải của máy biến áp:

Chế độ không tải là chế độ mµ phía thứ cấp hở mạch, phía sơ cấp đặtvào điện áp.

2.3.1 Phương trình và sơ đồ thay thế của máy biến áp không tải:

Khi không tải I2=0 ta có:

U1 I1Z1  E1

Hoặc: U1 I0 (Z1 Z th) I0Z0

(2.14)

Z0 Z 1 Z th là tổng trở cảu máy biến áp không tải

Sơ đồ thay thế máy biến áp không tải vẽ trên hình (2.2)

2.3.2 Các đặc điểm ở chế độ không tải:

a) Dòng điện không tải:

Từ phương trình trên, tính được dòng điện không tải như sau:

1

2 1

1 0

1 0

) (

) (R R th X X th

U Z

U I