Giáo trình Bảo dưỡng và sửa chữa máy biến áp cỡ nhỏ (Nghề Cơ điện nông thôn)

Định nghĩa máy biến áp Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp này thành một hệ thống

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI

TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ LÀO CAI

GIÁO TRÌNH NỘI BỘ

MÔ ĐUN 26: BẢO DƯỠNG, SỬA CHỮA MÁY BIẾN ÁP CỠ NHỎ

NGÀNH/ NGHỀ: CƠ ĐIỆN NÔNG THÔN

TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP

Ban hành kèm theo Quy ết định số: /QĐ-CĐLC ngày tháng năm

c ủa Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Lào Cai

Lào Cai, tháng 3 năm 2013

L Ờ I GI Ớ I THI Ệ U

Máy biến áp một pha công suất nhỏ được sử dụng rộng rãi trong đời sống và sản xuất Trong quá trình sử dụng phải tiến hành bảo dưỡng thường xuyên để duy trì tuổi thọ cho máy hoặc có thể xảy ra một số những hư hỏng thông thường Nhiệm vụ của mô đun bảo dưỡng, sửa chữa máy biến áp cỡ nhỏ là cung cấp các kiến thức cơ bản

về bảo dưỡng, sửa chữa máy biến áp cỡ nhỏ Tuy nhiên trong quá trình giảng dạy mô đun Bảo dưỡng, sửa chữa máy biến áp cỡ nhỏ nghề Điện cơ điện nông thôn do tổng cục ban hành có rất ít tài liệu chuyên sâu về máy biến áp một pha Đó chính là lý do tôi viết giáo trình lưu hành nội bộ này để làm tài liệu giảng dạy, học tập cho sinh viên

và tài liệu tham khảo trong ngành Điện công nghiệpđiện dân dụng

Cấu trúc Giáo trình gồm 5 bài:

Bài 1: Khái niệm chung về máy biến áp

Bài 2: Máy biến áp một pha

Bài 3: Máy biến áp ba pha

Bài 4: Các máy biến áp đặc biệt

Bài 5: Bảo dưỡng, sửa chữa máy biến áp cỡ nhỏ

Trong quá trình biên soạn mặc dù đã có rất nhiều cố gắng song khó tránh khỏi những sai sót, nhầm lẫn và khiếm khuyết Tôi rất mong nhận được sự góp ý của Quý đồng nghiệp và các bạn Học sinh - Sinh viên trong toàn Trường để Giáo trình ngày càng hoàn thiện hơn

Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về theo địa chỉ: Văn phòng Khoa Điện-Điện tử, Trường Cao đẳng Lào cai; E-mail: Khoadiencdnlc@gmail.com

Tôi xin chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp, cảm ơn Khoa Điện-Điện tử, Trường Cao đẳng Lào Cai đã tạo điều kiện và giúp đỡ cho tôi hoàn thành giáo trình này

Lào Cai, ngày 05 tháng 03 năm 2017

BIÊN SOẠN

Chủ biên: Nguyễn Thị Thanh Tú

M ỤC LỤC

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN……… 2

LỜI GIỚI THIỆU……… 3

MỤC LỤC……… 4

BÀI 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 5

1 Định nghĩa máy biến áp 5

2 Phân loại 5

3 Công dụng………5

4 Các đại lượng định mức……… 6

BÀI 2: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 7

1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy biến áp 7

2 Các trạng thái làm việc 9

3 Tính toán máy biến áp một pha công suất nhỏ 12

4 Quấn máy biến áp một pha công suất nhỏ 14

5 Vận hành máy biến áp một pha 17

BÀI 3: MÁY BIẾN ÁP BA PHA 18

1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc 18

2 Vận hành máy biến áp ba pha công suất nhỏ (S<5kVA) 19

BÀI 4: CÁC MÁY BIẾN ÁP ĐẶC BIỆT 21

1 Máy biến áp tự ngẫu 21

2 Máy biến áp đo lường 26

3 Máy biến áp hàn 28

BÀI 5: SỬA CHỮA, BẢO DƯỠNG MÁY BIẾN ÁP CỠ NHỎ 29

1 Bảo dưỡng máy biến áp cỡ nhỏ 29

2 Sửa chữa những hư hỏng thông thường của máy biến áp một pha công suất nhỏ 29

TÀI LIỆU THAM KHẢO 31

BÀI 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP

1 Định nghĩa máy biến áp

Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp này thành một hệ thống

dòng điện xoay chiều ở điện áp khác, với tần số không thay đổi

2 Phân loại

Theo công dụng

1 MBA điện lực để truyền tải và phân phối công suất trong hệ thống điện lực

2 MBA chuyên dùng sử dụng ở lò luyện kim, các thiết bị chỉnh lưu, MBA hàn…

3 MBA tự ngẫu dùng để liên lạc trong hệ thống điện, mở máy động cơ không đồng bộ công suất lớn

4 MBA đo lường dùng để giảm các điện áp và dòng điện lớn đưa vào các dụng

cụ đo tiêu chuẩn

5 MBA thí nghiệm dùng để thí nghiệm điện áp cao

Theo cấu tạo lõi thép

1 Máy biến áp lõi sắt từ

2 Máy biến áp lõi không khí

Theo nguyên lý hoạt động

1 Máy biến áp loại cảm ứng

2 Máy biến áp loại tự ngẫu



Cos U

P I

.

2 2

.



Cos U

P R I R

Cùng một công suất truyền tải trên đường dây, nếu điện áp truyền tải cao → dòng điện chạy trên đường dây nhỏ, do đó trọng lượng và chi phí dây dẫn sẽ giảm xuống, đồng thời tổn hao năng lượng trên đường dây sẽ giảm

Vì thế, muốn truyền tải công suất lớn đi xa ít tổn hao và tiết kiệm kim loại màu người ta phải dùng điện áp cao, thường là 35, 110, 220, 500kV

Thực tế các máy phát điện chỉ phát ra điện áp 3 ÷ 21kV, do đó phải có thiết bị tăng điện áp ở đầu đường dây Mặt khác các hộ tiêu thụ thường yêu cầu điện áp thấp,

từ 0.4 ÷ 6kV, vì vậy cuối đường dây phải có thiết bị giảm điện áp xuống

Thiết bị dùng để tăng điện áp ở đầu đường dây và giảm điện áp cuối đường dây

gọi là máy biến áp (MBA)

2 Điện áp dây sơ cấp định mức U1đm (V, kV) là điện áp của dây quấn sơ cấp

3 Điện áp dây thứ cấp định mức U2đm (V hay kV) là điện áp của dây quấn thứ cấp khi MBA không tải và điện áp đặt vào dây quấn sơ là định mức U1 = U1đm

4 Dòng điện dây sơ cấp định mức I1đm (A hay kA) và thứ cấp định mức I2đm là dòng điện dây của dây quấn sơ cấp và thứ cấp ứng với công suất và điện áp định mức Đối với MBA một pha:

đm

đm đm

U

S I

1

1 

đm

đm đm

U

S I

2

2  Đối với MBA ba pha:

đm

đm đm

U

S I

U

S I

2

2

3

5 Tần số định mức fđm (Hz), MBA điện lực có tần số công nghiệp 50Hz Ngoài

ra trên nhãn MBA còn ghi các số liệu khác: tần số, số pha m, sơ đồ và tổ nối dây

Khi thiết kế chế tạo biến áp được quy định các thông số định mức như công suất định mức Sdm, điện áp định mức Udm, dòng điện định mức Idm,… Các giá trị này thường được ghi trên nhãn hoặc catalogue của máy Biến áp cần làm việc trong chế độ phù hợp với các giá trị định mức này Giá trị định mức đảm bảo cho biến áp làm việc tin cậy, an toàn và tránh lãng phí nguyên vật liệu

Dựa trên điện áp định mức sơ cấp và thứ cấp, có thể chọn số vòng dây tương ứng W1 và W2 để sử dụng mạch từ hợp lý Đồng thời, điện áp định mức quyết định việc bố trí cuộn dây và lựa chọn vật liệu cách điện Khi sử dụng ở dưới điện áp định mức nhiều thì sẽ lãng phí khả năng cách điện và mạch từ Còn nếu sử dụng trên điện

áp định mức sẽ làm mạch từ bão hoà mạnh, làm tăng tổn thất điện năng, máy bị nóng quá mức, cách điện không đủ ở điện áp cao sẽ gây hư hỏng biến áp

Căn cứ vào dòng điện định mức, người ta tính chọn tiết diện dây quấn, xác định

độ tổn hao điện năng trên điện trở cuộn dây, cho phép sự tăng nhiệt của biến áp không quá giới hạn làm hỏng cách điện Khi sử dụng quá dòng định mức trong thời gian nhất định, biến áp sẽ bị nóng quá mức và có thể bị hư hỏng

Công suất định mức quy định khả năng chuyên tải của máy biến áp từ lối vào tới lối ra thông qua mạch từ của biến áp Đối với máy biến áp 1 pha, tích của dòng và thế định mức sẽ cho công suất biểu kiến định mức:

Sdm = U2dm.I2dm≈ U1dm.I1dm

BÀI 2: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA

1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy biến áp

1.1 Cấu tạo

a Lõi thép

Lõi thép MBA dùng để dẫn từ thông, được chế tạo bằng các vật liệu dẫn từ tốt, thường là thép kỹ thuật điện có bề dày từ 0,35 ÷ 1mm, mặt ngoài các lá thép có sơn cách điện rồi ghép lại với nhau thành lõi thép Lõi thép gồm hai phần: Trụ từ và Gông

từ Trụ (T) là phần để đặt dây quấn còn gông (G) là phần nối liền giữa các trụ để tạo thành mạch từ kín

b Dây quấn

Nhiệm vụ của dây quấn MBA là nhận năng lượng vào và truyền năng lượng ra Dây quấn MBA thường làm bằng dây đồng hoặc nhôm, tiết diện tròn hay chữ nhật, bên ngoài có bọc cách điện Dây quấn gồm nhiều vòng dây và lồng vào trụ thép, giữa các vòng dây, giữa các dây quấn và giữa dây quấn với lõi thép đều có cách điện

Máy biến áp thường có hai hoặc nhiều dây quấn Khi các dây quấn đặt trên cùng một trụ thì dây quấn điện áp thấp đặt sát trụ thép còn dây quấn điện áp cao đặt bên ngoài Làm như vậy sẽ giảm được vật liệu cách điện

Dây quấn MBA có hai loại chính:

- Dây quấn đồng tâm: có tiết diện ngang là những vòng tròn đồng tâm Những kiểu dây quấn đồng tâm chính gồm :

+ Dây quấn hình trụ, dùng cho cả dây quấn hạ áp và cao áp;

+ Dây quấn hình xoắn, dùng cho dây quấn hạ áp có nhiều sợi chập;

+ Dây quấn hình xoáy ốc liên tục, dùng cho dây quấn cao áp, tiết diện dây dẫn chữ nhật

- Dây quấn xen kẽ: Các bánh dây cao áp và hạ áp lần lượt xen kẽ nhau dọc theo trụ thép

c Vỏ MBA

Thùng MBA: Trong thùng MBA (hình 1-5) đặt lõi thép, dây quấn và dầu biến

áp Dầu biến áp làm nhiệm vụ tăng cường cách điện và tản nhiệt Lúc MBA làm việc, một phần năng lượng tiêu hao thoát ra dưới dạng nhiệt làm dây quấn, lõi thép và các

bộ phận khác nóng lên Nhờ sự đối lưu trong dầu và truyền nhiệt từ các bộ phận bên trong MBA sang dầu và từ dầu qua vách thùng ra môi trường xung quanh

Nắp thùng MBA : Dùng để đậy trên thùng và trên đó có các bộ phận quan trọng như:

+ Sứ ra (cách điện) của dây quấn cao áp và dây quấn hạ áp

+ Bình dãn dầu (bình dầu phụ) có ống thủy tinh để xem mức dầu

+ Ống bảo hiểm : làm bằng thép, hình trụ nghiêng, một đầu nối với thùng, một đầu bịt bằng một đĩa thuỷ tinh Nếu áp suất trong thùng tăng lên đột ngột, đĩa thuỷ tinh

sẽ vỡ, dầu theo đó thoát ra ngoài để MBA không bị hỏng

+ Lỗ nhỏ đặt nhiệt kế

+ Rơle hơi dùng để bảo vệ MBA

+ Bộ truyền động cầu dao đổi nối các đầu điều chỉnh điện áp của dây quấn cao

Khi đặt một máy xoay chiều U1 vào dây quấn 1 xuất hiện dòng điện I1 Trong lõi thép sinh ra từ thông  móc vòng cả hai dây quấn 1 và 2 sinh ra suất điện động cảm ứng e1 và e2 trong cả hai dây quấn Dây quấn 2 sinh ra từ trường dòng điện U2 đưa

ra tải với điện áp U2 Như vậy năng lượng của dòng điện xoay chiều đã được truyền từ dây quấn 1 sang dây quấn 2

Giả sử điện áp đặt vào có dạng hình sin thì từ thông do nó sinh ra cũng là hình sin:  = m.sinω.t Theo định luật cảm ứng điện từ, suất điện động cảm ứng trong dây quấn 1 và 2 là:

= w2.ω.m.sin (ω.t – /2)= E2msin(ω.t – /2) (2-2)

Trị số hiệu dụng:

m 1 m

1 1 m 1 m 1

2

w f 2 2

w 2

E

(2-3)

m 1 m

2 1 m 2 m 2

2

w f 2 2

w 2

1 w

w E

U1

U 2

2.1 Trạng thái không tải

Khi cấp điện cho cuộn sơ cấp, còn hở mạch cuộn thứ cấp, máy biến áp chạy ở trạng thái không tải (hình 1.2a)

Ở chế độ chạy không tải, dòng điện thứ cấp I2 = 0 Ở cuộn sơ cấp, điện áp U1đặt vào có giá trị bằng điện áp định mức, dòng qua cuộn sơ cấp là I1 = I0

Dòng I0 qua cuộn sơ cấp tạo trong mạch từ một từ thông Φm đi qua cả hai cuộn dây, tạo các sức điện động cảm ứng E1và E2 và góc pha chậm sau từ thộng một góc

900

Hình 2 2: Sơ đồ máy biến áp 1 pha ở trạng thái không tải

Ngoài từ thông chính Φm , dòng I0 còn có từ thông tản Φt1 vòng qua không khí bao lấy cuộn sơ cấp W1 Từ thông tản này tạo ra sức điện động tự cảm Et1, đặc trưng bởi hệ số tự cảm Lt1và điện kháng tản xt1 tương ứng

Dòng điện không tải I0 nhỏ hơn nhiều so với dòng định mức và thường được tính theo phần trăm của dòng định mức:

Đặc tuyến không tải của máy biến áp U1 = f(I10 ) (hình 1.3) cùng dạng với đồ thị B = f(H), tức là đường cong từ hoá của lõi thép (giống đặc tuyến không tải của máy phát điện 1 chiều)

Hình 2 3: Đặc tuyến không tải của máy biến áp

Ở chế độ không tải, thứ cấp hở mạch, không có công suất lối ra, nên P0 đưa vào

sơ cấp chỉ là công suất tổn hao, được gọi là công suất tổn hao không tải

Tổn hao trong máy biến áp gồm tổn hao trong lõi thép và tổn hao trong cuộn dây đồng Do dòng không tải nhỏ, nên tổn hao trong cuộn dây đồng không đáng kể Vì vậy tổn hao không tải chính là tổn hao trong lõi thép Đặc tuyến tổn hao không tải của biến áp có dạng Parabôn (hình 1.4)

Hình 2 4: Đặc tuyến tổn hao không tải của máy biến áp

Do biến áp chạy không tải có độ lệch cosϕ nhỏ, làm cho giá trị đo P0 nhỏ và nằm ở vùng đầu của đồng hồ đo công suất Kết quả đo không chính xác và khó đọc

Có thể dùng các đồng hồ đo U, I và cosϕ riêng để đo và tính chính xác giá trị P0

2.2 Trạng thái có tải

Trạng thái làm việc có tải của máy biến áp là trạng thái khi đặt vào cuộn sơ cấp điện thế U1 (thường xấp xỉ định mức) trong khi thứ cấp nối với tải Zt (hình 1.8)

Hình 2.5 Sơ đồ máy biến áp 1 pha ở trạng thái có tải

Ở chế độ làm việc có tải, dòng điện I1qua cuộn sơ cấp tạo ra từ thông chính đi qua lõi thép và từ thông tản Φt1 bao lấy cuộn sơ cấp Phía thứ cấp, do có tải Zt nên sức điện động cảm ứng E2 sinh ra dòng điện I1 qua cuộn thứ cấp Dòng điện này lại tạo ra sức từ động I2W2 chống lại sức từ động sơ cấp I1W1 và đồng thời tạo ra từ thông tản Φt2

Khi khảo sát biến áp, thường khảo sát đặc tuyến ngoài của máy biến áp (hình 1.9) Đó là đồ thị của điện áp tải U2 theo dòng tải I2 khi điện áp sơ cấp U1 không đổi và

hệ số công suất của tải không đổi (trường hợp tải thuần trở cosϕ2 = 1)

Hình 2.6 Đặc tuyến ngoài của máy biến áp.

Ở chế độ có tải, máy biến áp có hai loại tổn hao trong mạch từ là tổn hao trong lõi thép và tổn hao trong cuộn dây đồng Do có dòng tải nên tổn hao trong cuộn dây đồng được tính đến Dạng đặc tuyến hiệu suất như hình 1.10

Hình 1.10: Đặc tuyến hiệu suất của máy biến áp

Hình 1.5: Sơ đồ máy biến áp 1 pha ở trạng thái ngắn

Điện áp ngắn mạch UN nhỏ hơn nhiều so với điện áp định mức U1dm và thường được tính theo phần trăm của điện áp định mức:

Giá trị điện áp ngắn mạch UN[%], cũng giống như dòng không tải I0[%], được ghi trên nhãn máy

Đặc tuyến ngắn mạch của biến áp là đường thẳng (hình 1.6)

Hình 1.6: Đặc tuyến ngắn mạch của máy biến áp

Đặc tuyến tổn hao ngắn mạch có dạng parabôn (hình 1.7)

Hình 1 7: Đặc tuyến tổn hao ngắn mạch của máy biến áp

3 Tính toán máy biến áp một pha công suất nhỏ

3.1 Trường hợp chế tạo máy biến áp mới

Bước 1: Xác định thông số kỹ thuật của máy biến áp (lõi thép có sẵn)

Bước 2: Xác định kiểu máy biến áp

Bước 3: Làm khuôn mới (bằng bìa cách điện)

Hình 1.8: Thông số lõi thép

Hình 1.9: Phương pháp thực hiện khuôn quấn dây bằng

giấy cách điện

Bước 4: Quấn dây

Bước 5: Lót cách điện, đo thông mạch, đo cách điện, ghép lá thép

Bước 6: Kiểm tra cấp nguồn và chạy không tải

3.2 Trường hợp quấn lại máy biến áp bị cháy hỏng

Đối với máy biến áp bị cháy hỏng ta chỉ cần khôi phục lại cuộn dây bị cháy hỏng Lấy lại các thông số cũ của máy biến áp bị cháy hỏng

4 Quấn máy biến áp một pha công suất nhỏ

4.1 Giới thiệu trình tự

4.1.1 Tính toán số liệu dây quấn máy biến áp một pha

4.1.1.1 Lấy số liệu dây quấn máy biến áp

a Lấy theo thông số cũ:

Bước 1: Xác định dòng và các cấp điện áp ra, tháo các vít liên kết vỏ

Bước 2: Xác định kiểu máy biến áp

Bước 3: Tháo các đầu dây giữa các chi tiết trên vỏ máy với máy

Bước 4: Xác định kiểu quấn dây, đường kính dây, tháo và vẽ lại sơ đồ

3 Máy quấn 1 Cái

c Tính toán quấn lại: Biết U1; I1; U2; I2và kích thước lõi thép:

Bước 1: Xác định công suất MBA:

Công suất toàn phần: S = S2 = U2.I2 (VA) Đối với MBATN có công suất tự biến áp:

STN = S2 (1 - U2/U1) (VA) đối với MBA giảm áp

STN = S2 (1 – U1/U2) (VA) đối với MBA tăng áp Bước 2: Xác định tiết diện lõi thép:

Đối với lõi thép có dạng chữ E + I ta có:

At = (1,1 ÷ 1,2) S2 Đối với MBA cảm ứng

At = (1,1 ÷ 1,2) S TN Đối với MBATN

Khi XĐ được At ta chọn số lượng lá thép sao cho đảm bảo At = a.b (cm2) ngoài ra cần tính tới việc hạn chế tổn hao, tăng hiệu suất, hạn chế sụt áp U2 khi có tải

và tiết kiệm được dây quấn Thông thường để đảm bảo yêu cầu KT nên chọn: a ≤ b ≤ 1,5a Với a là kích thước riêng theo từng chủng loại lá thép

Bước 3: Xác định số vòng tạo ra 1 vôn sức điện động cảm ứng:

W0 =

t

A

 (vòng/vôn)  = 36 ÷ 60 phụ thuộc vào chất lượng lõi thép

Cuộn sơ cấp: W1 = W0.U1 (vòng) Cuộn thứ cấp: W2 = W0.U2 (vòng) Đối với MBA cảm ứng phải tính tới sụt áp khi mang tải: KSA = 1,05 ÷ 1,2

Bước 4: Xác định tiết diện dây quấn:

S2 = I2/J (mm2) Với J là mật độ dòng điện cho phép

Đối với dây đồng J = 3 ÷ 5 (A/mm2