Bài giảng Kỹ thuật điện: Chương 6 - Nguyễn Thế Hoạch

Bài giảng Kỹ thuật điện: Chương 6 Máy biến áp cung cấp cho người học những kiến thức như: Ứng dụng của máy biến áp; Cấu tạo chung; Nguyên lý làm việc; Hệ thống phương trình đặc trưng; Sơ đồ mạch thay thế; Thông số của MBA qua thí nghiệm. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chương 6 Máy biến áp

6 Máy biến áp

Chương 6: Máy biến áp

6.1 Máy biến áp

Định nghĩa: Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh dùng để biến đổi dòng điện xoay

chiều ở điện áp này thành dòng điện xoay chiều ở điện áp khác cùng tần số

Hình 6.1 Sơ đồ truyền tải năng lượng từ nguồn tới hộ tiêu thụ

6.1 Máy biến áp

Trên máy biến áp thường ghi các giá trị:

- Công suất định mức Sđm [VA], [k,VA], [MVA]

6.2 CÊu t¹o m¸y biÕn ¸p

M¸y biÕn ¸p gåm ba bé phËn chÝnh:

- Lâi thÐp

- D©y quÊn

- Vá m¸y

6.2.1 Lõi thép

Lõi thép làm bằng những lá thép kĩ thuật điện dày 0,35 – 0,5 mm ghép cách điệnvới nhau Nó dùng làm mạch từ để dẫn từ thông và làm khung quấn dân quấn Lõithép gồm có trụ T và gông G Trụ là bộ phận có dây quấn

Hình 6.2.a Máy biến áp một pha kiểu trụ

b Máy biến áp ba pha kiểu trụ

1 Trụ; 2 Gông; 2 Cuộn dây hạ áp; 4 Cuộn dây cao áp

6.2.2 Dây cuốn máy biến áp

Dây quấn máy biến áp thường là dây đồng tiết diện hình tròn hay hình chữ nhật, có bọc chất cách điện bằng các sợi vải hay dây cáp Dây quấn thường cuốn đồng tâm quanh trục thép, dây thấp áp cuốn ở phía trong gần trụ thép, dây cao áp cuốn ở phí ngoài bọc lấy dây thấp áp

6.2.3 Vỏ máy biến áp

Vỏ máy dùng để bảo vệ các bộ phân bên trong của máy và đựng dầu máy Vỏ máy gồm thùng hình bầu dục, trong đặt lõi thép, dây quấn và đựng dầu Dầu máy biến áp dùng để làm lạnh, tăng cường cách điện cho máy

Hình 6.3 Máy biến áp 3 pha

8/2/2012 BMNL 140

6.3 Nguyên lý làm việc của máy biến áp

Nguyên lý làm việc của máy biến áp dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ Đưa vào cuộnsơ cấp điện áp hình sin U1 thì trong dây quấn sơ cấp có dòng điện hình sin I1, nó gây ra từthông f chạy trong lõi thép và móc vòng lấy cả 2 cuộn dây Từ thông f biến thiên hình sin nên cảm ứng trong dây quấn sơ cấp và thứ cấp các s.đ.đ tương ứng e1, e2 và có giá trị:

Hình 6.4 Từ thông chính và từ thông tản trong MBA

Trị số hiệu dụng phức của các sức điện động cảm ứng:

max 2

max 2

2

max 1

max 1

1

W f.

44 , 4 j

.j 2

W j

E

W f.

44 , 4 j

.j 2

W j

E

F -

=

f w

-=

F -

=

f w

-=

dt

d W e

dt

d W e

2 2

1 1

f -

=

f -

=

Khi máy biến áp không tải (thứ cấp không phụ tải) thì:

U2 = E2 và U1 ằ E1 nên: , hệ số gọi là hệ số biến áp

Tổn hao trong máy biến áp:

- tổn hao đồng trong cuộn dây sơ cấp DPđ1

- tổn hao sắt từ trên lõi thép DPst.-tổn hao đồng trong cuộn dây thứ cấp DPđ2Vậy năng lượng máy đưa ra phía thứ cấp với công suất là:

Hiệu suất máy biến áp:

Thông thường h = 98% có thể coi xấp xỉ như:

k w

w E

E U

U

2

1 2

1 2

1 = & & = =

& &

2 d st

1 d 1

2 d

' 2

2 P P P P P P

1

2 d st

1 1

1

2

P

P P

P

P P

=

= h

k I

I U

U I

U I

U

1

2 2

1 2

2 1

1 = đ ằ =

6.4 Từ trường thứ cấp và điện kháng tản của dây quấn máy biến áp

Dòng điện I1 gây nên từ thông tản ft1 chỉ móc vòng lấy dây quấn sơ cấp Từ thông tản

ft1 cảm ứng trong dây quấn sơ cấp sức điện động tản:

Dòng điện I2 gây nên từ thông tản ft2 chỉ móc vòng lấy dây quấn thứ cấp Từ thông tản

ft2 cảm ứng trong dây quấn sơ cấp sức điện động tản:

Các từ thông tản ft1 và ft2 tỉ lệ tương ứng với I1 và I2:

trong đó xt1 = wLt1trong đó xt2 = wLt2

xt1 và xt2 là điện kháng tản của dây quấn sơ và thứ cấp

dt

d w

1 1

t

f -

=

dt

d w

2 2

t

f -

=

1 1 t

1

t jX I

E = - &

2 2 t

2

t jX I.

E = - &

6.5 Các phương trình đặc trưng của máy biến áp

1

1 1 1

1 1 t 1

1

1 1 1

1 t 1

1 1 1

t 1

1 1 1

1 1 t 1

1 1

I Z E

U

I Z E

I jX R

E

I R I.

jx E

I R E

E

I Z E

I jX R

E U

=

=>

+ -

= +

+ -

=

+ +

-= +

-

-=

+ -

= +

+ -

=

1

Z

2 t 2

2 R jX

2 2 2

pt 2 2

pt 2 2

2 pt

2

2 2

2 pt pt

pt

Z I E

U I

Z U

Z I E

Z I E

Z I Z

I Z

Z

E I

jX R

đ +

=

+

=

6.5.3 Phương trình cân bằng sức từ động

Khi máy biến áp không tải, dòng điện thứ cấp bằng 0, chỉ có dòng điện không tảichạy qua dây quấn sơ cấp, do đó từ thông chính f là do sức từ động không tảisinh ra

Khi máy biến áp mang tải, trong dây quấn thứ cấp có dòng điện Như vậy từthông chính f là do 2 sức từ động sơ cấp và thứ cấp sinh ra Biên độ

từ thông chính fmax không đổi, do đó sức từ động của máy khi không tải phải cân bằng với sức từ động của máy khi mang tải Ta có:

1

2 0

1

2 2 0

1

2 2 1

1 1

0

I I

I

k

I I

W

W I

I I

W I W I W

&

& =

6.6 Sơ đồ thay thế của máy biến áp

Hình 6.5 a Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy biến áp

b Khi tăng điện áp U2 = U1

Sơ đồ thay thế của máy biến áp

Hình 6.6 Sơ đồ thay thế của máy biến áp một pha hai dây quấn

Các thông số trong sơ đồ thay thế:

Ta có thể đặc trưng hiện tượng tiêu tán năng lượng trên dây sơ cấp và thứ cấp bằng các

điện trở tương ứng R1, R2 Đặc trưng hiện tượng tích phóng năng của từ trường tản sơ và thứ cấp tương ứng bằng các điện kháng tản Xt1, Xt2

Các điện kháng, điện trở thứ cấp đãquy đổi theo điện áp sơ cấp.

Sơ đồ thay thế của máy biến áp

Các điện kháng, điện trở thứ cấp đãquy đổi theo điện áp sơ cấp

Ta có thể đặc trưng cho tổn thất không tải do trong lõi thép máy biến áp bằng mạch điện có điện trở R0 nối tiếp với X0

pt

2

' 2 t pt

2

' 2 t pt

2

' 2 t

2

2 2

2 '

2

p 2 '

2

X k X

; R k R

; X k X

R k k

I

E

k I

U R

2 0 0

0

1 0

1

2 0

2 0 0

2 0

st 0

R Z

X

I

U I

E X

R Z

, I

P R

-=

=

= +

= D

=

Sơ đồ thay thế của máy biến áp

Hình 6.7 Dòng năng lượng chảy qua máy biến áp

Thực tế rất nhỏ nên khi tính toán để đơn giản có thể bỏ qua nhánh từ hoá Z0 Do vậy ta có sơ đồ thay thế đơn giản hơn:

U

% U

, I

U Z

dm 1

kz kz

dm 1

-Sơ đồ thay thế của máy biến áp

Hình 6.7 Sơ đồ thay thế đơn giản của máy biến áp

6.8 Máy biến áp ba pha

Để biến đổi điện áp của hệ thống dòng điện ba pha ta có thể dùng 3 máy biến ápmột pha hoặc có thể dùng một máy biến áp 3 pha

Lõi thép máy biến áp 3 pha gồm 3 trụ, trên mỗi trụ cuốn dây sơ cấp và thứ cấp củamột pha Các điểm đầu dây của dây quấn 3 pha phía điện áp cao kí hiệu là A, B, C các điểm cuối là X, Y, Z các đầu của cuộn thứ cấp là a, b, c các đầu cuối của cuộnthứ cấp là x, y, z

Dây quấn 3 pha sơ cấp và thứ cấp có thể nối hình sao hoặc hình tam giác Nếu nốihình sao Y thì số vòng dây và cách điện mỗi pha được tính theo điện áp pha, tiếtdiện dây dẫn tính theo dòng điện dây Nếu nối hình tam giác D dây quấn được tínhtheo điện áp dân dòng điện pha:

Vì vậy khi điện áp càng cao, dòng điện càng nhỏ thì nối hình sao lợi hơn nối hìnhtam giác

p d

p

d U ; I 3 I.

Máy biến áp ba pha

Hình 6.7 a Máy biến áp ba pha ba trụ

b Sơ đồ đấu dây Y/ D ; c Sơ đồ đấu dây Y/Y 0

Nguyên lý làm việc của các máy biến áp ba pha giống như máy biến áp mộtpha Khi nghiên cứu sự làm việc của máy biến áp ba pha phụ tải đối xứng, chúng ta chỉ cần nghiên cứu một pha

Các phương trình và sơ đồ thay thế cho mỗi pha tương tự như ở máy biến áp mộtpha

M¸y biÕn ¸p ba pha

Tuy nhiªn khi vËn dông c¸c kÕt qu¶ viÖc nghiªn c øu m¸y biÕn ¸p mét pha vµom¸y biÕn ¸p ba pha, chóng ta cÇn chó ý mét sè ®iÓm sau:

1 HÖ sè biÕn ¸p cña m¸y biÕn ¸p ba pha lµ tû sè gi÷a ®iÖn ¸p d©y s¬ cÊp vµthø cÊp Tû sè nµy kh«ng nh÷ng phô thuéc vµo tû sè vßng d©y s¬ cÊp vµ thøcÊp mµ cßn phô thuéc vµo c¸ch nèi d©y quÊn VÝ dô nÕu d©y quÊn m¸y biÕn ¸p

ba pha nèi Y/Y th× hÖ sè biÕn ¸p lµ:

Nh­ng nÕu d©y quÊn nèi Y/D th×:

2

1 2

p

1 2

d

1 d

W

W U

3

U

3 U

U

2

1 2

p

1 2

d

1

W

W 3 U

U

3 U

U

Máy biến áp ba pha

2 ở máy biến áp ba pha, trên biển máy hoặc trong các danh sách tra cứungười ta ghi điện áp dây, dòng điện dây Công suất định mức Sđm, các tổnhao công suất không tải P0 và ngắn mạch Png đều viết cho cả ba pha

Máy biến áp ba pha

3 ở máy biến áp ba pha, nhà sản xuất còn ghi tổ đấu dây của máy Tổ đấu dây chỉ

rõ góc lệch pha giữa điện áp dây sơ cấp và thứ cấp Góc lệch pha này phụ thuộc vào chiều quấn dây, cách ký hiệu đầu dây và cách nối dây quấn Góc lệch pha giữa điện

áp điện dây sơ cấp và thứ cấp không ghi trực tiếp bằng độ mà ghi bằng giờ, cách kí hiệu như sau:

Cho điện áp dây sơ cấp tương ứng với vị trí kim dài của đồng hồ ở số 12, còn điện áp dây thứ cấp tương ứng là kim ngắn đứng ở các vị trí khác nhau trên mặt đồng hồ tuỳ theo góc lệch pha Góc tính theo chiều từ kim dài đến kim ngắn (theo chiều kim đồng hồ) là góc lệch pha giữa hai điện áp dây sơ cấp và thứ cấp

Ví dụ: Nếu kim ngắn đứng ở số 11 giờ và góc lệch pha giữa điện áp dây sơ cấp và thứ cấp là 330 00

Máy biến áp ba pha

Hình 6.8 a Xác định góc pha của tổ đấu 7 giờ

b Tổ đấu dây biến áp một pha

OV cur