Giáo trình Máy điện 1 (Ngành Điện công nghiệp)

Máy điện có nhiều loại và có nhiều cách phân loại khác nhau theo nhiệm vụ, tính chất như sau: - Theo sự chuyển động các bộ phận bên trong máy điện + Máy điện tĩnh : là máy điện không có

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP HẢI PHÕNG

GIÁO TRÌNH

Hải Phòng, 2019

1

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN

Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được

phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh

thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm

7

LỜI NÓI ĐẦU

Việc tổ chức biên soạn giáo trình phục vụ cho việc đào tạo nghề Điện Công nghiệp là một nhiệm vụ rất quan trọng của trường Cao đẳng Công nghiệp Hải Phòng Chính vì lẽ đó Khoa Điện đã có nhiều cố gắng để biên soạn giáo trình các môn học/modul nghề phục vụ cho việc đào tạo nghề Nhằm đáp ứng được yêu cầu

về dạy của Giáo viên và học của Học sinh – Sinh viên trong trường Sau thời gian

nổ lực hết mình của tập thể giảng viên bộ môn, lãnh đạo khoa nhận xét, góp ý, chỉnh sửa, đến nay Giáo trình “MÁY ĐIỆN” đã hoàn thành

Nội dung của Giáo trình đã biên soạn, xây dựng trên cơ sở kế thừa những nội dung được giảng dạy ở trường, kết hợp với những kiến thức, công nghệ mới, nhằm đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng đào tạo, tương xứng với cấp trình độ và gắn với nhu cầu người học Giáo trình này biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, bổ sung nhiều kiến thức mới, đề cập những nội dung cơ bản, cốt yếu theo tính chất của ngành nghề đào tạo cho phù hợp và theo qui định trong chương trình khung đào tạo nghề của Bộ Lao động Thương binh Xã hội và Tổng cục Giáo dục Nghề nghiệp

Nội dung của giáo trình được biên soạn gồm:

Bài 1: Khái niệm chung về máy điện

Bài 2: Máy biến áp

Bài 3: Máy điện không đồng bộ

Bài 4: Máy điện đồng bộ

Bài 5: Máy điện một chiều

Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong việc biên soạn, song chắc chắn không thể tránh khỏi khiếm khuyết Vì vậy, rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của đồng nghiệp trong trường để lần tái bản sau được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Tổ bộ môn

7

GIÁO TRÌNH MÔN HỌC/MÔ ĐUN Tên môn học/mô đun: MÁY ĐIỆN 1

Mã môn học/mô đun: MĐĐCN 17

Vị trí, ý nghĩa, vai trò của mô đun:

- Mô đun này học sau các môn học An toàn lao động, Mạch điện và mô đun

Đo lường điện

- Là môn học chuyên ngành thuộc các môn học đào tạo nghề bắt buộc

- Trang bị cho Sinh viên các kiến thức cơ bản về máy biến áp, động cơ, máy phát điện

Mục tiêu của mô đun:

Sau khi hoàn tất mô đun này, học viên có năng lực:

- Phân tích cấu tạo, nguyên lý của các loại máy điện thông dụng như: máy biến áp, động cơ, máy phát điện

- Kết nối mạch, vận hành máy điện

- Tính toán các thông số kỹ thuật trong máy điện

Nội dung chính của mô đun:

Bài 01: Khái niệm chung về máy điện

Bài 02: Máy biến áp

Bài 03: Máy điện không đồng bộ

Bài 04: Máy điện đồng bộ

Bài 05: Máy điện một chiều

BÀI 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN

MÃ BÀI: MĐĐCN17-1 Mục tiêu:

- Phân tích được sơ đồ phân loại máy điện

- Trình bày được nguyên tắc máy phát điện, động cơ điện Tính thuận nghịch của máy điện quay

- Trình bày được vật liệu chính chế tạo máy điện

- Phân tích được quá trình phát nóng và làm mát động cơ

để biến đổi điện áp lưới điện ở cấp điện áp này sang cấp điện áp khác nhưng cùng tần số,

1.2 Phân loại máy điện

Máy điện có nhiều loại và có nhiều cách phân loại khác nhau theo nhiệm vụ, tính chất như sau:

- Theo sự chuyển động các bộ phận bên trong máy điện

+ Máy điện tĩnh : là máy điện không có bộ phận chuyển động cơ học (Máy biến áp)

+ Máy điện quay : là máy điện có các bộ phận chuyển động cơ học (Máy phát, động cơ

- Theo tính chất dòng điện

+ Máy điện một chiều : là máy điện sử dụng ở lưới điện một chiều

+ Máy điện xoay chiều : là máy điện sử dụng ở lưới điện xoay chiều

- Theo tốc độ chuyển động của máy điện quay

+ Máy điện đồng bộ : là máy điện có tốc độ rotor bằng tốc độ từ trường

+ Máy điện không đồng bộ : là máy điện có tốc độ rotor khác tốc độ từ trường

Sơ đồ phân loại máy điện thường gặp:

Hình 1- 1 Sơ đồ phân lại máy điện

2 NGUYÊN TẮC MÁY PHÁT ĐIỆN VÀ ĐỘNG CƠ

2 1 Nguyên tắc máy phát điện:

Máy phát điện là máy điện biến

đổi cơ năng thành điện năng

Máy phát điện đơn giản gồm hai

phần: Phần tĩnh (còn gọi là stato) là

hai cực nam châm (N – S)

Hình 1-2

Nguyên tắc làm việc của máy phát điện

Phần động (còn gọi là rôto) là lõi thép tròn, trên có đặt một khung dây Khe

hở giữa stato và rôto nhỏ và đều, để từ trường trong khe hở là đều và dây dẫn luôn

cắt vuông góc với đường sức khi quay (hình 1-2)

Khi rôto quay dây dẫn cắt qua các đường sức, tạo ra s.đ.đ E lấy được trên hai vành đồng tiếp xúc A, B, nhờ các chổi than A’, B’ Nếu mạch ngoài nối đến tải có điện trở R, sẽ có dòng điện I qua mạch:

Rr

EI

Chiều lực F xác định theo quy tắc bàn tay trái, có tác dụng hãm chuyển động cuả rôto (hình 1-2) Như vậy dòng điện cảm ứng có chiều sao cho nó có tác dụng chống lại nguyên nhân đã sinh ra nó (ở đây là sự quay của rôto trong từ trường)

Để dây dẫn quay đều với tốc độ v, rôto cần có mô men cơ (gọi là mô men sơ cấp)

do các động cơ sơ cấp kéo (như tua-bin hơi, tua bin nước v.v…) và do đó rôto tiêu thụ công suất cơ:

Pcơ = F v = BlI V = Blv.I

Biết Blv = E là s.đ.đ cảm ứng vậy:

Kết quả là dây dẫn chuyển động trong từ trường đã có tác dụng biến công suất

cơ của động cơ sơ cấp thành công suất điện cung cấp cho phụ tải

2 2 Nguyên tắc động cơ điện

Động cơ điện là máy điện biến đổi điện năng thành cơ năng

Động cơ điện đơn giản cũng có cấu tạo tương tự máy phát điện (hình 1-3) Khác nhau căn bản giữa máy phát điện và động cơ là ở máy phát điện ta dùng động

cơ sơ cấp kéo cho rôto chạy và nhận được nguồn điện từ hai đầu cuộn dây, còn ở động cơ ta đấu cuộn dây vào nguồn điện để làm quay rôto, kéo các máy sản xuất khác(máy công tác)

Khi cho dòng điện I vào khung

dây, từ trường tác dụng lực F lên cạnh

khung dây Chiều lực F xác định theo

quy tắc bàn tay trái (hình 1-3) Các

lực F tạo thành mô men quay làm

Chiều của E ngược với chiều dòng điện (xác định theo quy tắc bàn tay phải) Gọi điện áp nguồn đặt vào động cơ là U, dòng điện trong mạch là:

0r

EU

Fv = Pcơ là công suất trên cơ trục động cơ

2 3 Tính thuận nghịch của máy điện quay:

Qua các nguyên tắc làm việc trên ta thấy, cùng một máy điện quay (thanh dẫn đặt trong từ trường nam châm (N – S), tuỳ theo năng lượng đưa vào máy điện là

cơ năng hay điện năng, máy điện có thể làm việc ở chế độ máy phát điện hay động

cơ điện Đây chính là tính thuận nghịch của máy điện quay Mọi loại máy điện quay đều có tính thuận nghịch.(Dùng làm máy phát điện hoăc động cơ điện)

3 VẬT LIỆU CHÍNH CHẾ TẠO MÁY ĐIỆN

Vật liệu chế tạo máy điện gồm vậy liệu cấu trúc, vật liệu tác dụng và vật liệu cách điện Vật liệu cấu trúc là vật liệu để chế tạo các chi tiết chịu các tác động cơ học như trục, ổ trục, thân máy, nắp Vật liệu tác dụng là vật liệu dùng để chế tạo những bộ phận dẫn điện và từ Còn vật liệu cách điện dùng để cách điện giữa phần dẫn điện với không dẫn điện và giữa các phần dẫn điện với nhau

3 1 Vật liệu dẫn điện

Vật liệu dẫn điện để chế tạo máy điện tốt nhất là đồng vì chúng không đắt lắm và có điện trở suất nhỏ Ngoài ra còn dùng nhôm và các hợp kim khác như đồng thau, đồng phốt pho Dây đồng hoặc dây nhôm được chế tạo theo tiết điện tròn hoặc tiết diện chữ nhật có bọc cách điện Với những máy có công suất nhỏ và trung bình, điện áp dưới 1000V thường dùng dây dẫn bọc emay vì lớp cách điện của nó mỏng và đạt độ bền yêu cầu

3 2 Vật liệu dẫn từ

Vật liệu dẫn từ trong máy điện là vật liệu sắt từ như thép kỹ thuật điện, gang, thép đúc, thép rèn

Ở các phần dẫn từ có từ thông biến đổi với tần số 50Hz thường dùng thép lá

kỹ thuật điện dày 0,35 - 1mm, trong thành phần thép có từ 2 - 5% silíc để tăng

điện trở của thép, giảm dòng điện

xoáy Thép kỹ thuật điện được chế

tạo bằng phương pháp cán nóng

hoặc cán nguội Hiện nay thường

dùng thép cán nguội để chế tạo các

máy điện vì thép cán nguội có độ từ

thẩm cao hơn và suất tổn hao nhỏ

hơn thép cán nóng

Hình 1-4 Đường cong từ hoá của một số vật liệu từ

Trên hình 1.4 trình bày đường cong từ hoá của một số vật liệu dẫn từ khác nhau Cùng một dòng điện kích từ, ta thấy thép kỹ thuật điện có từ cảm lớn nhất, sau đó là thép đúc và cuối cùng là gang ở các phần dẫn từ có từ thông không đổi thường dùng thép đúc, thép rèn, hoặc thép lá

3.3 Vật liệu cách điện

Vật liệu cách điện trong máy điện phải có cường độ cách điện cao, chịu nhiệt tốt, tản nhiệt tốt, chống ẩm và bền về cơ học Cách điện bọc dây dẫn chịu được nhiệt độ cao thì nhiệt độ cho phép của dây dẫn càng lớn và dây dẫn chịu được dòng tải lớn

Chất cách điện của máy điện phần lớn ở thể rắn và gồm có 4 nhóm:

1 Chất hữu cơ thiên nhiên như giấy, lụa

2 Chất vô cơ như amiăng, mica, sợi thủy tinh

3 Các chất tổng hợp

4 Các loại men và sơn cách điện

Chất cách điện tốt nhất là mica nhưng đắt Giấy, vải, sợi rẻ nhưng dẫn nhiệt

và cách điện kém, dễ bị ẩm Vì vậy chúng phải được tẩm sấy để cách điện tốt hơn Theo tiêu chuẩn Việt nam (TCVN) nhiệt độ môi trường của Việt nam là 40o

C còn của máy điện ta lấy bình quân Hiện nay ta thường dùng vật liệu cách điện thuộc các cấp A, E, B

Căn cứ độ bền nhiệt, nhiệt độ cho phép và liệu cách điện các cấp A, E, B như sau:

- Cấp A : Nhiệt độ cho phép là 1050C, bao gồm vải sợi xenlulô, sợi tự nhiên hoặc nhân tạo được qua tẩm sấy bằng sơn cách điện

- Cấp E : Nhiệt độ cho phép là 1200C, bao gồm màng vải, sợi tổng hợp gốc hữu cơ có thể chịu được nhiệt độ tương ứng

- Cấp B : Nhiệt độ cho phép là 1300C, bao gồm các vật liệu gốc mica, sợi thủy tinh hoặc amiăng được liện kết bằng sơn hoặc nhựa gốc hữu cơ có thể chịu được nhiệt độ tương ứng

Ngoài ra còn có chất cách điện ở thể khí (không khí) và thể lỏng (dầu biến áp)

Khi máy điện làm việc, do tác động của nhiệt độ, chấn động và các tác động

lý hóa khác cách điện sẽ bị lão hóa nghĩa là mất dần các tính bền về điện và cơ Thực nghiệm cho biết, khi nhiệt độ tăng quá nhiệt độ làm việc cho phép 10% thì tuổi thọ của vật liệu cách điện giảm đi một nửa

4 PHÁT NÓNG VÀ LÀM MÁT MÁY ĐIỆN

Trong quá trình biến đổi năng lượng luôn có sự tổn hao Tổn hao trong máy điện gồm tổn hao sắt từ (do hiện tượng từ trễ và dòng xoáy) trong thép, tổn hao đồng trong dây quấn và tổn hao do ma sát (ở máy điện quay) Tất cả các tổn hao năng lượng đều biến thành nhiệt làm cho máy điện nóng lên

Để làm mát máy điện, phải có biện pháp tản nhiệt ra môi trường xung quanh

Sự tản nhiệt không những phụ thuộc vào bề mặt làm mát của máy mà còn phụ thuộc vào sự đối lưu không khí xung quanh hoặc của môi trường làm mát khác như dầu máy biến áp Thường vỏ máy điện được chế tạo có các cánh tản nhiệt và máy điện có hệ thống quạt gió để làm mát

Kích thước của máy, phương pháp làm mát phải được tính toán và lựa chọn

để cho độ tăng nhiệt của vật liệu cách điện trong máy không vượt quá độ tăng nhiệt cho phép, đảm bảo cho vật liệu cách điện làm việc lâu dài, tuổi thọ của máy khoảng 20 năm

Khi máy điện làm việc ở chế độ định mức, độ tăng thiệt của các phần tử không vượt quá độ tăng nhiệt cho phép Khi máy quá tải độ tăng nhiệt của máy sẽ vượt quá nhiệt độ cho phép, vì thế không cho phép máy làm việc quá tải lâu dài

Bài tập:

1, Định nghĩa máy điện, cách phân loại

2, Trình bày nguyên tắc máy phát và động cơ điện

BÀI 2: MÁY BIẾN ÁP

1.2 Công dụng

Để dẫn điện từ nhà máy phát điện đến hộ tiêu thụ cần phải có đường dây tải điện (hình 2-1)

Hình 2- 1 Sơ đồ truyền tải điện đơn giản

Ta có, dòng điện truyền tải trên đường dây:

I = P/(Ucos)

Và tổn hao công suất trên đường dây:

Trong đó: P là công suất truyền tải trên đường dây; U là điện áp truyền tải của lưới điện; Rd là điện trở đường dây tải điện và cos là hệ số công suất của lưới điện, còn  là góc lệch pha giữa dòng điện I và điện áp U

Từ các công thức trên cho ta thấy, cùng một công suất truyền tải trên đường dây, nếu điện áp truyền tải càng cao thì dòng điện chạy trên đường dây sẽ càng bé,

do đó trọng lượng và chi phí dây dẫn sẽ giảm xuống, tiết kiệm được kim loại màu, đồng thời tổn hao năng lượng trên đường dây sẽ giảm xuống 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 Trên thực tế các máy phát điện chỉ phát ra điện áp từ 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).Vì vậy MBA dùng để truyền tải và phân phối điện năng (MBA điện lực)

Máy biến áp dùng để phục vụ công tác đo lường (máy biến điện áp, máy biến dòng điện)

Máy biến áp dùng để gia công kim loại (máy hàn)

Máy biến áp dùng để tạo ra các cấp điện áp phù hợp với thiết bị điện

2 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HAI DÂY QUẤN

có sơn cách điện rồi ghép lại với nhau thành lõi thép Lõi thép gồm hai phần: Trụ

và Gông (hình 2-2) 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 MBA

Nhiệm vụ của dây quấn MBA là nhận năng lượng vào và truyền năng lượng

ra Dây quấn MBA thường làm bằng dây dẫn đồng hoặc nhôm, tiết diện tròn hay chữ nhật, bên ngoài dây dẫn 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 và 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

Hình 2- 3 Dây quấn MBA

Dây quấn MBA có hai loại chính như :

- Dây quấn đồng tâm : ở dây quấn đồng tâm tiết diện ngang là những vòng

tròn đồng tâm Những kiểu dây quấn đồng tâm chính gồm : Dây quấn hình trụ (hình 2-3a,b), dùng cho cả dây quấn hạ áp và cao áp; Dây quấn hình xoắn (hình 2-3c), dùng cho dây quấn hạ áp có nhiều sợi chập; dây quấn hình xoáy ốc liên tục (hình 2-3d), dùng cho dây quấn cao áp, tiết diện dây dẫn chữ nhật

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

theo trụ thép

c Vỏ máy biến áp

Vỏ MBA làm bằng thép gồm hai bộ phận : thùng và nắp thùng

- Thùng MBA: Trong thùng MBA 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

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 áp

một nguồn xoay chiều U1

vào dây quấn 1 xuất hiện

dòng điện I1 Trong lỏi

thép sinh ra từ thông 

móc vòng qua cả hai dây

quấn 1 và 2 sinh ra sức điện động cảm ứng e1 và e2 trong cả hai dây quấn Dây quấn 2 sinh ra từ trường dòng điện I2 đưa ra tải với điện áp U2 Như vậy năng lượng của dòng điện xoay chiều đó được truyền từ dây quấn 1 sang dây quấn 2

Hình 2-4 Nguyên lý làm vi ệc mba.1 pha 2 dây quấn

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

Nếu W2>W1 thì U2> U1 và I2< I1 : MBA tăng áp

Nếu W2<W1 thì U2< U1 và I2> I1: MBA giảm áp

2.3 Các đại lƣợng định mức chính của máy biến áp

Các đại lượng định mức của MBA qui định điều kiện kỹ thuật của máy Các đại lượng này do nhà máy chế tạo qui định và ghi trên nhãn của MBA

- Dung lượng (công suất định mức) Sđm (VA hay kVA) là công suất toàn phần hay biểu kiến đưa ra ở dây quấn thứ cấp của MBA

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

- Điện áp pha thứ cấp định mức U2đm (V hay kV) là điện áp của dây quấn thứ cấp khi máy biến áp không tải và điện áp đặt vào dây quấn sơ là định mức U1 =

U1đm

- Dòng điện dây sơ cấp định mức I1đm (A hay kA) và thứ cấp định mức I2đm là những dòng điện dây của dây quấn sơ cấp và thứ cấp ứng với công suất và điện áp định mức

dm 1

dm dm

dm dm

Ngoài ra trên nhãn máy biến áp còn ghi các số liệu khác như: số pha (m), sơ

đồ và tổ nối dây,hệ số công suất(cos )…

1 1 m

1 m

1

2

w f 2 2

w 2

E

m 1 2 m

2 1 m

2 m

2

2

w f 2 2

w 2

E

2

1 2

1 w

w E

1

I2

I 2

U1

U 2

E1

E





3 MÁY BIẾN ÁP 3 PHA

3.1 Cấu tạo

Máy biến áp ba pha thực chất là do 3 máy biến áp một pha ghép lại nên có hai loại : máy biến áp 3 pha có hệ thống mạch từ riêng và máy biến áp 3 pha có hệ thống mạch từ chung

Hệ thống mạch từ riêng là hệ thống mạch từ trong đó từ thông của ba pha độc lập với nhau như ở trường hợp máy biến áp ba pha ghép từ 3 máy biến áp một pha gọi tắt là tổ máy biến áp ba pha (hình 2-5)

A a B b C c

X Y Z

Hình 2-5 Tổ máy biến áp ba pha

Hệ thống mạch từ chung là hệ thống mạch từ trong đó từ thông ba pha có liên quan với nhau như ở máy biến áp ba pha kiểu trụ – để phân biệt với loại trên ta gọi

là máy biến áp ba pha ba trụ (hình 2-6 )

Hình 2-6 Má y biến áp ba pha ba trụ

Trên thực tế hiện nay, máy biến áp ba pha ba trụ được dùng phổ biến với các

cỡ dung lượng nhỏ và trung bình vì loại này hình dáng gọn, nhỏ, ít tốn nhiên liệu

và rẻ hơn Còn loại tổ máy biến áp ba pha chỉ dùng cho các máy biến áp cỡ lớn (dung lượng từ 3 x 600 kVA trở lên), vìvậy có thể vận chuyển từng pha của biến

áp một cách dễ dàng và thuận lợi

Để hiểu rõ hơn về MBA ta xem hình dáng bên ngoài MBA ba pha hai dây quấn công suất 250kVA, điện áp 22/0.4kV của nhà máy chế tạo Thiết Bị Điện (hình 2-7)

Hình 2-7 MBA dầu ba pha, hai dây quấn

Như vậy máy biến áp ba pha có hệ thống mạch từ được làm bằng thép kỹ thuật điện như máy biến áp một pha, có 3 cuộn dây sơ cấp và 3 cuộn dây thứ cấp các cuộn dây này được đáu theo hình sao hoặc hình tam giác Hình 2-8 là MBA trung gian 3 pha 110/38/10 KV

Hình 2-8 Máy biến áp dầu ba pha 16000kVA/110kV

1 móc vận chuyển; 2 Sứ cao áp 110kV; 3 Sứ hạ áp 10.5kV; 4 Sứ trung áp 38.5kV; 7 ống phòng nổ; 8 Bình giãn dầu; 10 Thước chỉ dầu; 12 Xà ép gông; 13 Bình hút ẩm; 16 Dây quấn cao áp; 18 Bộ lọc đối lưu; 22 Vỏ thùng; 23.Bộ tản nhiệt; 24 Cáp cấp điện cho động cơ; 25 Động cơ qụat gió làm mát 26 Bộ truyền động chuyển mạch

Với số vòng dây pha sơ cấp, số vòng dây pha thứ cấp

- Tỉ số điện áp dây không những chỉ phụ thuộc vào tỉ số vòng dây giữa sơ cấp và thứ cấp mà còn phụ thuộc cách nối hình sao hay tam giác:

+ Khi nối /Y: =

+ Khi nối /: =

+ Khi nối Y/Y: =

+ Khi nối Y/: =

= √

=√

3.3 Các đại lƣợng định mức chính của máy biến áp

Tương tự máy biến áp một pha, máy biến áp ba pha có các đại lượng định mức của MBA qui định điều kiện kỹ thuật của máy Các đại lượng này do nhà máy chế tạo qui định và ghi trên nhãn của MBA

- Dung lượng (công suất định mức) Sđm (VA hay kVA) là công suất toàn phần hay biểu kiến đưa ra ở dây quấn thứ cấp của MBA

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

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

U1đm

- Dòng điện dây sơ cấp định mức I1đm và thứ cấp định mức I2đm ( A hoặc KA )

là những dòng điện dây của dây quấn sơ cấp và thứ cấp ứng với công suất và điện

áp định mức

- Tần số định mức fđm(Hz) Các máy biến áp điện lực có tần số công nghiệp 50Hz

Ngoài ra trên nhãn máy biến áp còn ghi các số liệu khác như: số pha (m), sơ

đồ và tổ nối dây,hệ số công suất(cos )…

4 TỔ NỐI DÂY CỦA MÁY BIẾN ÁP

Là cách đấu nối các đầu cuộn dây của máy Nó có rất nhiều, song thực chất các hiện tượng xảy ra trong chúng đều giống nhau Để thuận tiện cho việc nghiên cứu, sau đây chủ yếu xét đến máy biến áp điện lực hai dây quấn một pha và ba pha

p

k

2

1 2

1

w

w p

2 3

1 2

3

1 2

1

w

w p

U p U d

U d

d k

2

1 2

1 2

1

w

w p U p U d U d U





d k

2

1 2 3 1 3 2

1

w

w p U p U d

U d U





d k

đm

đm đm

U

S I

U

S I

1

1

3



Hình 2-1 0:Điện áp không đối xứng lúc

k ý hiệu ngƣợc hay đấu ngƣợc 1 pha

hi ệu ngược hay đấu ngược 1 pha

Hình 2-9: Cá ch qui ƣớc các đầu đầu và đầu

cuối của MBA 3 pha

Hình 2-11 đấu sao và đấu sao không

4 1 Các kí hiệu đầu dây:

Các đầu tận cùng của dây quấn mba, 1 đầu gọi là đầu đầu, đầu kia gọi là đầu cuối

- Đối với mba 1 pha thì có thể tuỳ ý chọn đầu đầu và đầu cuối

- Đối với mba 3 pha, các đầu đầu và đầu cuối phải chọn 1 cách thống nhất: giả

sử dây quấn pha A chọn đầu đầu đến đầu cuối theo chiều kim đồng hồ (Hình 2-9 a) thì các dây quấn pha B, C còn lại cũng phải chọn thống nhất.(Hình b và c).Điều này rất cần thiết bởi vì 1 pha dây quấn ký hiệu ngược thì điện áp lấy ra mất tính đối xứng (hình 2-10}

Các qui ước đầu đầu và đầu cuối của dây quấn máy biến áp 3 pha:

Các đầu tận cùng Dây quấn cao áp Dây quấn hạ áp Sơ đồ kí hiệu dây quấn Đầu đầu

4 2 Các kiểu đấu dây quấn:

Dây quấn máy biến áp có thể đấu theo các kiểu chính sau:

- Đấu hình sao (Y): thường 3 đầu X, Y, Z nối lại với nhau, 3 đầu còn lại A, B,

- Nếu đấu sao có dây trung tính gọi là đấu sao không thì ký hiệu là hay

(Hình 2-11 b)

Dây quấn đấu thông dụng đối với mba cung cấp cho tải hỗn hợp vừa dùng điện áp dây để chạy động cơ, vừa dùng điện áp pha chiếu sáng

- Đấu tam giác () thì đầu đầu của pha này nối với đầu cuối của pha kia theo

thứ tự AX- BY- CZ - A (Hình 2-12a) hoặc theo thứ tự AX – CZ – BY – A (Hình 2-12b).Cách đấu  được dùng nhiều khi không cần điện áp pha

Hình 2-12 Hai cách đấu tam giác dây quấn MBA

- Đấu hình  hở (đấu hình V): Thường dùng cho tổ máy biến áp 3 pha khi sửa chữa hoặc hư hỏng 1 máy (Hình 2-13 )

Hình 2-13 Đấu tam giác hở dùng cho tổ MBA 3 pha bị hỏng 1 pha

4 3 Tổ nối dây mba:

Được hình thành do sự phối hợp kiểu đấu dây sơ cấp so với kiểu đấu dây thứ cấp Nó biểu thị góc lệch pha giữa các sđ đ dây sơ cấp và dây thứ cấp của mba Góc lệch pha này phụ thuộc vào các yếu tố sau:

- Chiều dây quấn

- Cách kí hiệu các đầu dây;

- Kiểu đấu dây quấn ở sơ cấp và thứ cấp

Muốn xác định và gọi tên 1 tổ đấu dây ta phải chấp nhận các giả thiết sau:

- Câc dây quấn cùng chiều trên trụ thép

- Chiều s.đ.đ trong dây quấn chạy từ đầu cuối đến đầu đầu

Xét mba 1 pha có 2 dây quấn thứ cấp ax và sơ cấp AX (hình 2-14)

Nếu có hai dây quấn được quấn cùng chiều trên trụ thép, kí hiệu các đầu dây như nhau:

0

0 Y

X,Y (C)

a b

x,y (c)

12

9

6 Hình 2- 15.Ký hiệu tổ nối dây theo phương pháp kim đồng hồ

Hình 2-14 Tổ nối dây của máy biến áp 1 pha

Ví dụ: A, a ở phía trên; X, x ở phía dưới (H2-14a) thì s.đ.đ cảm ứng

trong chúng khi có từ thông biến thiên đi qua sẽ hoàn toàn trùng pha

nhau (H2-14b): Khi đổi chiều dây quấn của 1 trong 2 dây quấn, ví dụ

của dây quấn thứ cấp ax(Hình 2-14c), hoặc đổi kí hiệu đầu dây, cũng

của dây quấn thứ cấp ax (Hình2-14e) thì s.đ.đ trong chúng hoàn toàn

ngược pha nhau(Hình 2-14d và g)

Trường hợp thứ nhất, góc lệch pha giữa các s.đ.đ kể từ véctơ sđđ

sơ cấp đến véctơ s.đ.đ thứ cấp theo chiều kim đồng hồ là (I/I-12)

hay ( ); hai trường hợp sau là (I/I-6)

Ở mba 3 pha còn do cách đấu

dây quấn hình Y hay  với những

phương pháp kim đồng hồ để biểu

thị và gọi tên tổ nối dây của mba

(hình 2 -15) Kim dài của đồng hồ chỉ sđđ dây sơ cấp đặt cố định ở con

số 12 Kim ngắn chỉ s.đ.đ dây thứ cấp đặt tương ứng ở các số 1, 2,

…12 tuỳ theo góc lệch pha giữa chúng là , …,

Ví dụ:

1.Tổ nối dây Y/Y:

0 360

Nếu đổi chiều quấn dây hay đổi kí hiệu đầu dây của dây quấn Y/Y -6 hoán vị thứ tự các pha thứ cấp, ta sẽ có các tổ nối dây chẳn 2,

tổ nối dây sau: mba 1 pha có tổ /-12; mba 3 pha có các tổ

Y/ -12 (hay Y/ -0), Y/-11 hay /-11 (hay Y/ và /-11)

Phạm vi ứng dụng của chúng như bảng sau:

Trên hình 2-16 trình bày một máy biến áp một pha hai dây quấn trong đó dây quấn sơ cấp nối với nguồn có điện áp U1 dâyquấn thứ cấp nối với tải có tổng trở Zt Điện áp U1 sinh ra dòng điện i1 có chiều như hình vẽ Theo qui tắc vặn nút chai, chiều từ thông  phù hợp với chiều i1 chiều e1 và e2 phù hợp với chiều  nghĩa là

e1 và i1 trùng chiều nhau Chiều i2 được chọn ngược với chiều e2 nghĩa là chiều i2

không phù hợp với chiều  theo qui tắc trên Ngoài từ thông chính  chạy trong lõi thép còn có các từ thông tản chỉ móc vòng với dây quấn sơ cấp(1) và chỉ móc vòng với dây quấn thứ cấp

Hình 2- 16 MBA 1 pha làm việc có tải

5.1 Các phương trình cơ bản của máy biến áp

a Phương trình cân bằng s.đ.đ:

Ta xét 1 MBA 1 pha Khi đặt vào dây quấn sơ

cấp 1 điện áp xoay chiều U1 thì trong đó sẽ có i1

chạy Nếu thứ cấp có tải thì trong dây quấn thứ cấp

sẽ có i2 chạy i1 và i2 tạo nên các s.t.đ F1 =

i1w1; F2 = i2w2 S.t.đ F1, F2 sinh ra móc

vòng dây quấn 1 và 2, gây ra các s.đ.đ:

Trong đó 1 = w1 , 2 = w2 là từ thông móc vòng với dây quấn 1 và 2 ứng với từ thông chính

Còn 1 phần rất nhỏ từ thông do F1, F2 sinh ra bị tản ra ngoài lõi thép, khép kín mạch qua không khí hoặc dầu gọi là các từ thông tản , do i1 sinh ra chỉ móc vòng với dây quấn sơ cấp; do i2 sinh ra chỉ móc vòng với dây quấn thứ cấp Các từ thông tản cũng gây nên các s.đ.đ tản tương ứng:

Trong đó: = w1 , = w2 là từ thông tản móc vòng với dây quấn sơ cấp và thứ cấp

Vì các từ thông tản chủ yếu đi qua môi trường không từ tính, có độ từ thẩm = Cte (như dầu, không khí, đồng ) Nên có thể xem , tỉ lệ với các

dòng điện tương ứng sinh ra chúng qua các hệ số điện cảm tản L1, L2 là những hằng số:

= L1 = L2

d w

e1 1   1

dt

d dt

d w





dt

d dt

d w

1 1

d w

2 2

e 1 1 1

dt

di L

e 2  2 2

Hay U2 = e2 + e2 - i2r2 (2-7)

Nếu điện áp, S.đ.đ, dòng điện là những lượng xoay chiều biến thiên hình sin đối với thời gian thì (2-5) và (2-6) có thể biểu diễn dưới dạng phức sau:

Đối với dây quấn thứ: (2-9)

Khi dòng điện biến thiên hình sin theo thời gian thì trị số tức thời của S.đ.đ tản sơ cấp được viết:

Trong đó: x2 = gọi là điện kháng tản của dây quấn thứ cấp

Thay các trị số , vào (2-7), (2-8) ta có các phương trình cân bằng s.đ.đ sau:

Trong đó ; : Tổng trở của dây quấn sơ và thứ cấp Các thành phần ; gọi là điện áp rơi trên các dây quấn sơ và thứ cấp

b Phương trình cân bằng sức từ động:

Sức từ động chính là số ampe vòng để sinh ra 

Khi có tải: tổng s.t.đ F = i1w1 + i2w2 sinh ra 

Khi không tải s.t.đ Fo = iow1 sinh ra 

Nếu bỏ qua điện áp rơi thì có thể xem điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp bằng s.đ.đ cảm ứng trong nó do từ thông chính gây nên: U1 = E1 = 4,44fw1m Coi công suất lưới điện là vô cùng lớn U1 = Cte dù có tải hay không tải nên E1 ,m = Cte Từ đó ta có phương trình cân bằng s.t.đ: i1w1 + i2w2 = iow1

Viết dưới dạng số phức (Khi I = f(t) là hình sin)

Chia 2 vế của phương trình cho w1 ta có:

1 r 1 i 1 1

1  E  E 

2 r 2 i 2 2

2  E  E 

t L

m I dt

t m dI L

e1  1 1 sin  1  1cos 

) 2 sin(

1 1

) 2 sin(

1

1 1

E      1



L

2 2

E      2



L 1

U                       

2 2 2 ) 2 2 ( 2 2 2 2 2 2 2

U                     

1 1

1 jx r

z   z2  j x2 r2

1

1 z

 2 z. 2

1 0 2 2 1

1w   w   w



0 1

2 2

1    

w w

) 1

2 2 ( 0 1

(2-10)

Từ biểu thức (2-9) ta nhận thấy: lúc máy biến áp có tải, dòng điện trong dây quấn sơ cấp I1 như gồm 2 thành phần Một thành phần là Io dùng để tạo nên từ thông chính trong lõi thép và 1 thành phần là -I'2 dùng dể bù lại tác dụng của dòng điện thứ cấp Do đó khi tải tăng, tức dòng điện thứ cấp I2 tăng thì thành phần -I'2 cũng tăng nghĩa là I1 tăng để giữ sao cho Io đảm bảo sinh ra m = Cte

5.2 Mạch điện thay thế của máy biến áp

Để tiện lợi cho việc nghiên cứu, tính toán máy biến áp người ta thay các mạch điện và mạch từ của máy biến áp bằng một mạch điện tương đương gồm các điện trở và điện kháng đặc trưng cho máy biến áp gọi là mạch điện thay thế của máy biến áp Để có thể nối trực tiếp mạch sơ cấp và thứ cấp với nhau thành một mạch điện, các dây quấn sơ và thứ cấp phải có cùng một điện áp Trên thực tế điện áp các dây quấn đó lại khác nhau (U1 khác U2) Vì vậy phải qui đổi một trong hai dây quấn về dây quấn kia để cho chúng có cùng chung một cấp điện áp Muốn vậy hai dây quấn phải có số vòng dây như nhau Thường người ta qui đổi dây quấn thứ cấp

về dây quấn sơ cấp, nghĩa là coi như dây quấn thứ cấp cũng có số vòng dây bằng

số vòng dây quấn sơ cấp (w2 = w1) Việc qui đổi chỉ thuận lợi cho việc tính toán chứ tuyệt nhiên không được làm thay đổi các quá trình vật lý và năng lượng xảy ra trong máy biến áp

a Qui đổi máy biến áp:

Trước tiên tất cả các lượng qui đổi từ thứ cấp về sơ cấp được gọi là những lượng qui đổi và được kí hiệu thêm một dấu phẩy ở trên đầu

Thí dụ sức điện động thứ cấp qui đổi

) S.đ.đ và điện áp thứ cấp qui đổi E'2 và U'2:

Do qui đổi dây quấn thứ cấp về dây quấn sơ cấp w2 = w1 nờn E'2 = E1

Tương tự ta có: U'2 = k.U2

) Dò ng điện thứ cấp qui đổi I'2:

Việc qui đổi phải đảm bảo cho P = Cte trước và sau khi qui đổi, nghĩa là:

) Điện trở, điện kháng, tổng trở thứ cấp qui đổi r'2, x'2, z'2:

Khi qui đổi P = Cte nên tổn hao đồng trong dây quấn thứ cấp trước và sau khi qui đổi phải bằng nhau, nghĩa là:

Tương tự có điện kháng thứ cấp qui đổi:

) 2 / ( 0

1     



/ 2 E

2

1 2

1 E

E w

2

/ 2 2

2I E I

/ 2

2 /

2 / 2 2

2 /

Tổng trở thứ cấp qui đổi:

Tổng trở của phụ tải qui đổi:

: Tổng trở tải lúc chưa qui đổi

) Các phương trình qui đổi:

Thay các lượng qui đổi vào các phương trình cân bằng s.đ.đ và s.t.đ ở trên ta có

hệ thống các phương trình đó viết dưới dạng qui đổi:

;

b Mạch điện thay thế của máy biến áp:

Dựa vào các phương trình s.đ.đ và s.t.đ dưới dạng qui đổi, ta có thể suy ra một mạch điện tương ứng gọi là mạch điện thay thế của máy biến áp (hình 2-17)

Hình 2-17 Mạch điện thay thế hình T của MBA

Với zm = rm + jxm: tổng trở từ húa

c Mạch điện thay thế đơn giản:

Trong thực tế zm>> z1 và z'2 nên có thể coi zm =  Nghĩa là coi Io = 0, do đó I1

= - I'2 Như vậy máy biến áp có thể được thay thế bằng 1 mạch điện rất đơn giản sau (hình 2-18)

Hình 2-18 Mạch điện thay thế đơn giản của máy biến áp

Với: zn = rn + jxn: Tổng trở ngắn mạch

rn = r1 + r'2 : Điện trở ngắn mạch

xn = x1 + x'2: Điện kháng ngắn mạch

2 2 /

x 

) 2 2 ( 2 / 2

/ 2

/

t z k t

z /  2 t x j t r t

z  

1

/

2 0

1    



Zn

6 CÁC TRẠNG THÁI LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP

6.1 Trạng thái không tải của máy biến áp

Ngoài từ thông chính m, tại W1 còn có từ thông tản: t1 Tạo nên Et1đặc trưng bởi điện cảm Lt1 và tương ứng là Xt1 Tại W1sẽ có U1, E1 và Et1đặt vào R1

và Xt1

Hình 2-19 Trạng thái không tải

b Ph ương trình trạng thái:

Khi không tải ta có hệ các phương trình:

c Thí nghiệm không tải:

Sơ đồ thí nghiệm như hình 2-20

Hình 2-20 Sơ đồ thí nghiệm không tải của máy biến áp một pha

Đặt điện áp hình sin vào điện áp sơ cấp với U1 = U1đm, hở mạch dây quấn thứ cấp Nhờ vônmét, ampemét, óatmét sẽ đo được điện áp sơ cấp U1, thứ cấp U20, dòng điện I0 và công suất P0 lúc không tải

Từ các số liệu thí nghiệm ta xác định được tổng trở, điện trở và điện kháng máy biến áp khi không tải:

0

1

, 2

20

1 1

0

1

1

0

1

1

I I

E U

jx r I E

Z I E U

Hình 2-21 Mạch điện thay thế của máy biến áp lúc không tải

Như vậy các tham số không tải z0, r0 và x0 chính là:

( 2-14 )

Trong các máy biến áp điện lực thường r1 và x1 nhỏ hơn rất nhiều so với rm

và xm nên có thể xem tổng trở, điện trở và điện kháng không tải bằng các tham số

từ hóa tương ứng

( 2-15 )

Thực tế dòng I0cho trên nhãn mác MBA ở dạng phần trăm nên ta có thể tính I0

theo công thức sau:

2 0 0

2 0

0 0 0

1 0

r z x I

P r I

U z

1

U

U w

w

k  

0 1

0 0

cos

I U

P





, 2

.

I

m m m

x x x

r r r

Z Z z

1 0

1 0

m m

z

z0  ; 0 ; 0

dẫn đến cháy máy biến áp Nên phải lắp đặt cầu chì bảo vệ MBA cả 2 phía sơ cấp

và thứ cấp để bảo vệ ngắn mạch công tác

Ngắn mạch thí nghiệm: là trạng thái cuộn thứ cấp được nối tắt điều chỉnh điện

áp sơ cấp sao cho I1 = I1đm , I2 = I2đm Khi đó điện áp đặt vào cuộn sơ cấp được gọi là điện áp ngắn mạch, dòng điện sơ cấp, thứ cấp gọi là dòng ngắn mạch

Hình 2-22 Trạng thái ngắn mạch(a), sơ đồ thay thế (b)

b Hiện tượng vật lý:

Khi ngắn mạch I2 là Ingắn (In) rất lớn sinh ra sức từ động I2W2chống lại sức

từ động I1W1(theo Lenxơ) phương trình cân bằng sức từ động được viết:

2 2 1 1 1

Lượng I0W1 rất nhỏ so với I2W2, I0W1 sinh ra E1 và E2

Phương trình cân bằng sức điện động:

Phía sơ cấp: U1 E1I1R1 I1Xt 1

Phía thứ cấp: U2= 0 nên E2 I2R2 I2Xt2

c Thí nghiệm ngắn mạch máy biến áp

Sơ đồ thí nghiệm như ở hình ( 2- 23 ), trong đó dây quấn thứ cấp bị nối ngắn mạch và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp phải được hạ thấp sao cho dòng điện trong đó bằng dòng điện định mức

Hình 2-23 Sơ đồ thí nghiệm ngắn mạch của máy biến áp một pha

Cũng như thí nghiệm không tải, từ các số liệu thí nghiệm ngắn mạch Un, In

và Pnđo được, ta xác định các tham số ngắn mạch của máy biến áp:

( 2-16 )

Vì lúc ngắn mạch, điện áp đặt vào rất nhỏ, nên từ thông chính lúc ngắn mạch rất nhỏ, nghĩa là dòng điện từ hóa trong trường hợp này cũng rất nhỏ Do đó, mạch điện thay thế của máy biến áp có thể xem như hở mạch từ hóa và còn lại một mạch nối tiếp của hai tổng trở sơ cấp và thứ cấp (hình 2-24a), hay đơn giản ta thay bằng một tổng trở đẳng trị (hình 2-24b) gọi là tổng trở ngắn mạch của máy biến áp

( 2-17 )

a b

Hình 2- 24 Mạch điện thay thế của máy biến áp lúc ngắn mạch

Vì lý do dòng điện i0 rất nhỏ nên ta xem rằng công suất lúc ngắn mạch là công suất dùng để bù vào tổn hao đồng trong dây quấn sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp:

( 2-18 )

Từ mạch điện thay thế lúc ngắn mạch ( hình 2-24b ) ta thấy rõ, điện áp đặt vào lúc ngắn mạch hoàn toàn cân bằng với điện áp rơi trong máy biến áp, hay nói cách khác, điện áp ngắn mạch gồm hai thành phần:

- Thành phần tác dụng:

Unr = I1rn là điện áp rơi trên điện trở

- Thành phần phản khỏng:

Unx = I1xn là điện áp rơi trên điện kháng

Đồ thị vectơ của máy biến áp ngắn mạch với In = Iđmvẽ trên hình (2-25)

2 2 2

n n n

n

n n

n

n n

r z x

I

P r

I

U z

, 2 1

, 2 1

x x

, 2 1

2 n

, 2

, 2 2 1

2 n 2

Cu 1

Cu n

r I ) r r I

r I r I p

p P

Tam giác OAB gọi là tam giác điện áp ngắn mạch, cạnh huyền biểu thị điện

áp ngắn mạch toàn phần Un, các cạnh góc vuông chính là điện áp rơi trên điện trở

và điện kháng:

Hình 2 – 25 a) Đồ thị vectơ của máy biến áp ngắn mạch

b) Tam giác điện áp ngắn mạch

Trong các máy biến áp điện lực, điện áp ngắn mạch được ghi trên nhãn máy

và thường được biểu diễn bằng tỉ lệ phần trăm so với điện áp định mức:

Và các thành phần điện áp ngắn mạch là:

( 2-21 )

( 2-22 ) Điện áp ngắn mạch có thể tính như sau:

( 2-23 )

Chú ý: Ngắn mạch ở trên là do ta tiến hành thí nghiệm với điện áp đặt vào rất nhỏ

để cho In = Iđm, thường gọi là ngắn mạch thí nghiệm Trường hợp máy biến áp đang làm việc với điện áp sơ cấp định mức, nếu thứ cấp xảy ra ngắn mạch thì ta gọi là ngắn mạch vận hành hay ngắn mạch sự cố

Lúc này toàn bộ điện áp định mức đặt lên tổng trở ngắn mạch rất nhỏ của máy biến áp, nên dòng điện ngắn mạch sự cố sẽ rất lớn:

n n

nx

n n

nr

U U

U U

ñm

n ñm ñm

n n

U

z I U

U

100.100

ñm

n ñm ñm

nr nr

U

r I U

U

100

.100

%

ñm

n ñm ñm

nx nx

U

x I U

U

100

%

n

ñm n

ñm n

u

I z

U

Ví dụ:

Cho một máy biến áp ba pha có các số liệu sau đây: Sđm = 5600 kVA; U1/U2

= 35000/6600 V; I1/I2 = 92,5/490 A; P0 = 18,5 kW; i0 = 4,5%Iđm; Un = 7,5%; Pn =

57 kW; f = 50 Hz; Y/∆-11.Hãy xác định:

a Các tham số lúc không tải z0, r0 và x0

b Các tham số ngắn mạch zn, rn, xn và các thành phần của điện áp ngắn mạch

Giải

a Các tham số lúc không tải:

Điện áp pha sơ cấp:

Dòng điện pha không tải: I0f = 0,045I = 0,045 92,5 = 4,16A

Các tham số không tải:

Trạng thái làm việc có tải của máy biến áp là trạng thái sơ cấp đặt vào điện

áp lưới U1 = U1đm, thứ cấp nối với tải Z (hình 2-26)

V 20208 3

35000 3

4850 r

z x

356 16

, 4 3

18500 I

3

P r

Ω 6 , 4857 16

, 4

20200 I

U z

2 2

2 0

2 0 0

2 f

0

0 0

f 0

f 1 0

Ω

249 , 16 22 , 2 4 , 16 r

z x

8 , 1 5 , 92 3

57000 I

3

P r

4 , 16 5 , 92

1520 I

U z

2 2

2 n

2 n n

2 2

f 1

n n

f 1

n n

3 , 16 5 , 92 100 U

x I

% u

01 , 1 100 20208

22 , 2 5 , 92 100 U

r I

% u

f 1

n f 1 nx

f 1

n f 1 nr

I0W1 = I1W1 + I2W2

Sức từ động này tạo nên m chạy trong lõi thép tạo nên các sức điện động:

E1 = 4,44 W1mf

E2 = 4,44 W2mf Các từ thông tản t1 và t 2 tương ứng các điện kháng tản: Xt1, Xt 2

Phương trình cân bằng sức điện động ở sơ cấp và thứ cấp như sau:

1 t 1 1 1 1

U    

2 t 2 2 2 2

U    

c Độ thay đổi điện áp của máy biến áp và cách điều chỉnh điện áp:

) Độ thay đổi điện áp của máy biến áp:

Khi máy biến áp làm việc, điện áp đầu ra thay đổi theo trị số và tính chất của điện cảm hoặc điện dung của dòng tải , do có điện áp rơi trên các dây quấn

sơ cấp và thứ cấp Hiệu số hiệu số giữa các trị số của điện áp thứ cấp lúc không tải

và lúc có tải trong điều kiện không thay đổi gọi là độ thay đổi điện

áp U của máy biến áp Trong đơn vị tương đối ta có:

Thực tế U% có thể xác định theo công thức sau :

U% = (Unr% + Unx% ) (2 – 25) Trong đó: Unr%, Unx% đã biết do cấu tạo của mba nên U% phụ thuộc vào hệ số tải và tính chất cuả tải

U = f() khi = và U = f( ) khi  =

2 U 2 I

20

20

2 20

U

U

20 ' 2 ' 20 ' U

U

đm U

U đm U 1 2 '

) Cách điều chỉnh điện áp:

Để giữ cho địện áp không

đổi khi mba làm việc với các tải

khác nhau thì phải điều chỉnh điện

áp bằng cách thay đổi số vòng dây,

tức thay đổi tỉ số biến đổi

Muốn vậy, ở giữa hoặc cuối dây

quấn CA người ta đưa ra một số đầu

dây ứng với các vòng dây khác

nhau (H2-27)

7.GIẢN ĐỒ NĂNG LƯỢNG VÀ HIỆU SUẤT MÁY BIẾN ÁP

7.1 Giản đồ năng lượng của máy biến áp

Trong quá trình truyền năng lượng qua máy biến áp 1 phần công suất tác dụng

và công suất phản kháng bị tiêu hao trong máy Ta xét sự cân bằng giữa chúng từ mạch điện thay thế máy biến áp

Gọi P1 = U1I1cos1 là công suất đưa vào 1 pha của máy biến áp Một phần công suất này bị tiêu hao trên điện trở của dây quấn sơ cấp và trong lõi thép:

; Phần còn lại là công suất điện

từ truyền qua phía thứ cấp Ta

có:

Công suất đầu ra P2 của

mba sẽ nhỏ hơn công suất

điện từ một lượng bằng tổn

hao trên điện trở của dây

Tương tự: ta có công suất phản kháng đầu vào:

Q1 tiêu hao đi 1 phần để tạo ra từ trường tản của dây quấn sơ cấp: và từ trường trong lõi thép còn lại đưa sang phía thứ cấp:

Công suất phản kháng đầu ra bằng:

2 U

2

1 w

w

k 

2 I 1 cu1 r I

0 m

Fe r I

P 

2

/ 2

/ 2 Fe 1 cu

t

2 2 2

2 2

2 2 cu ñt

1sin.11

Q

2 I 1

q 

2 0 m

2 sin 2

/ 2 1

ñt Q

2 2 2 1

2  Q  q  q  U I sin

Hình 2.27 C ác kiểu điều chỉnh điện áp

Hình 2- 28 Giản đồ năng lương của MBA

1

1 jQ

P 

ñt jQ ñt

2

2 jq cu

P 

Với là công suất để tạo ra từ trường tản của dây quấn thứ cấp

Khi tải có tính chất điện cảm ( > 0), > 0 lúc đó > 0 và công suất phản kháng Q được truyền từ phía sơ cấp sang thứ cấp

Khi tải có tính chất điện dung ( < 0), < 0 công phản kháng truyền theo

chiều ngược lại từ phía thứ cấp sang phía sơ cấp nếu < 0, hoặc toàn bộ công

suất phản kháng Q từ phía thứ cấp và sơ cấp đều dùng để từ hóa mba nếu > 0

Sự cân bằng công suất tác dụng và công suất phản khỏng biểu thị ở hình 2-28

7.2 Hiệu suất của máy biến áp:

Hiệu suất  của máy biến áp là tỉ số giữa công suất đầu ra P2 và công suất đầu vào :

: Tổng tổn hao của máy biến áp

- Khi thiết kế mba có thể tính toán các tổn hao trên và xác định hiệu suất  bằng tính toán

- Lúc vận hành hiệu suất  của mba làm việc ở tải có và cho biết có thể tính gián tiếp Ở tải ứng với , cos2 ta có công suất đầu ra P2 = U2I2cos2 : Đặt: là hệ số tải, và coi

nên

Do đó:

Việc xác định và cũng có tính chất giả định:

+ Tổn hao sắt từ không phụ thuộc vào tải và bằng tổn hao không tải

và trên thực tế khi tải thay đổi, từ thông  trong lõi thép thay đổi rất ít

+ Tổn hao đồng phụ thuộc và bằng Tổn hao này có thể biểu thị theo tổn hao ngắn mạch như sau;

Như vậy công thức có thể viết như sau:

℅ (2-26) Nếu thì chỉ phụ thuộc vào  có trị số cực đại ở tải nào đó ứng với điều kiện: Sau khi tính toán ta được hay

2 2 2

1 1

2

P

P P

P P P

P P P

P P 1 ( 100 ).

P

P 1 (

% η

Fe cu 2

Fe cu

2ñm I n r n

P 

n P ñm

I

I ñm I n r I n r cu

2

2 (

2 2

2 2

100 ).

2 0 2 cos

2 0 1

(

%

n P P

ñm S

n P P



2 cos

0





 d

Ví dụ

Cho một máy biến áp ba pha có các số liệu sau đây: Sđm = 5600 kVA; U1/U2 = 35000/6600 V; I1/I2 = 92,5/490 A; P0 = 18,5 kW; i0 = 4,5%; un = 7,5%; Pn = 57 kW;

f = 50 Hz; Y/∆-11 Hãy tính:

a Độ thay đổi điện áp ∆u khi tải định mức với cos2 = 0,8

b Hiệu suất ở tải định mức đó

c Hệ số tải ứng với hiệu suất cực đại

Giải

a Độ thay đổi điện áp ∆U:

Trong ví dụ bài trước ta đó tính được:

sin2 = - 0,6

U% = (Unr% + Unx% )

U% = 1 (1,01x0,8 - 7,45x0,6) = 3,66

b Hiệu suất của máy biến áp ở tải định mức :

a Hiệu suất cực đại của máy biến áp:

8 M ÁY BIẾN ÁP LÀM VIỆC SONG SONG

8 1.Công dụng và ý nghĩa MBA làm việc song song:

- Nâng tổng công suất của các trạm máy biến áp (St = S1 + S2 + ….)

- Cung cấp điện liên tục cho các phụ tải

- Vận hành các máy biến áp một cách kinh tế nhất (tải tăng vận hành nhiều máy, tải nhỏ vận hành ít máy)

- Thuận tiện cho công tác bảo dưỡng, sử chữa(máy nào cần bảo dưỡng hoặc máy nào hỏng thì cắt điện của máy đó)

- Máy quá lớn thì việc chế tạo và vận chuyển sẽ khó khăn

8 2 Điều kiện ghép mba làm việc song song:

Để ghép các máy biến áp làm việc song song không xuất hiện dòng điện cân bằng (Icb) chạy quẩn trong các máy gây chấn động và làm hỏng máy khi ghép cần thoả mãn các điều kiện

57 1 5 , 18 1

100 cos

1

%

2 2

2 0 2

2 0

S

P P

5,18



n

P P



a Điều kiện cùng tổ nối dây :

Cùng tổ nối dây điện áp thứ cấp sẽ trùng pha nhau Khác tổ nối dây điện áp thứ cấp sẽ lệch pha nhau, và sự lệch pha này phụ thuộc vào tổ nối dây

Ví Dụ 1

Nối hai mba: Máy thứ nhất I nối Y/-11 và máy thứ hai II nối Y/Y0-12 làm việc song song Vậy điện áp thứ cấp hai máy sẽ lệch pha nhau một góc 300

, trong mạch nối liền dây quấn thứ sẽ xuất hiện một sđđ:

E = 2Esin150

= 0.518E Khi máy không tải, trong đây quấn sẽ có dòng điện cân bằng :

Giả thử ZnI = ZnII = 0.05, 5,18

05,005,0

518,0



Như vậy dòng điện Icb = 5,18 Iđmsẽ làm hỏng máy biến áp

b Điều kiện cùng tỉ số biến đổi điện áp(K 1 = K 2 =……K n ):

Nếu tỉ số biến đổi điện áp của hai máy khác nhau mà hai điều kiện còn lại thỏa mãn thì khi mba làm việc song song, điện áp thứ cấp không tải sẽ bằng nhau (E2I = E2II ), trong mạch nối liền dây quấn thứ của mba sẽ không có dòng điện chạy qua

việc song song

Giả thử kI kIIthì E2I E2II và khi không tải, trong mạch nối liền quấn thứ của mba sẽ có dòng điện Icb chạy qua được sinh ra bởi điện áp :

Dòng điện này sẽ chạy trong dây quấn mba theo hai chiều ngược nhau và chậm pha một góc 900 vì r << x Lúc này điện áp rơi trên dây quấn sẽ bù trừ với sđđ, kết quả là trên mạch thứ có điện áp thống nhất U2

Hình 2-31

Đồ thị véc tơ và sự phân phối tải của MBA song song

a, khi không tải b Khi có tải

Kết quả khi mba mang tải, dòng điện tải It sẽ cộng với dòng cân bằng làm cho điều kiện làm việc của máy sẽ xấu đi, nghĩa là dòng trong máy không tỉ lệ với công suất của chúng, ảnh hưởng tới sự lợi dụng công suất của chúng

Chú ý : Cho phép K  khác nhau 0.5% so với trị số trung bình của nó

c Điều kiện điện áp ngắn mạch bằng nhau (U N1 = U N2 =……… U Nn ):

Trị số ngắn mạch của các máy bằng nhau thì phụ tải sẽ phân bố tỉ lệ với công suất của chúng Thật vậy, xét ba mba làm việc song song có điện áp ngắn mạch unI,

unII, unIII Nếu bỏ qua dòng điện từ hoá thì mạch điện có dạng như hình 2-32

Thường thì nInIInIInên chuyển tính từ số phức sang tính môđun:

Ta có :

dm

dm n

n

I

Uu

Từ dòng mba I, ta có :

nhân hai vế cho

dm dm

dm dm

dm

IU

US

U  , ta có hệ số tải của các máy :

Như vậy, từ các công thức hệ số phụ tải trên, ta thấy hệ số tải của các máy biến áp làm việc song song tỉ lệ nghịch với điện áp ngắn mạch của chúng :

Như vậy, các mba làm việc song song, có điện áp ngắn mạch un bằng nhau, tải sẽ phân bố tỉ lệ với công suất của máy Nếu un khác nhau MBA nào có unlớn,  nhỏ còn un nhỏ,  lớn Khi máy có un nhỏ làm việc ở định mức thì MBA có un lớn

sẽ hụt tải, kết quả là không tận dụng hết công suất thiết kế của mỗi máy

Chú ý : Cho phép un khác nhau 10% và công suất MBA có tỉ lệ: 3:1

Ví Dụ 2

Cho ba MBA có cùng tổ nối dây quấn và tỉ số biến đổi với các số liệu sau :

SđmI = 180kVA, SđmII = 240kVA, SđmIII = 320kVA; unI% = 5,4, unII% = 6,0, unIII% = 6,6 Hãy xác định tải của mỗi MBA khi tải chung của các MBA bằng tổng công suất của chúng và tính xem tải tối đa của các MBA để không MBA nào bị quá tải ? Giải

Tổng công suất của ba máy :

S = 180 + 240 + 320 = 740 kVA

Hệ số tải của các máy :

Công suất tải của các máy :

SI = I.SđmI = 1,125 x 180 = 202,5 kVA

SII = II.SđmII = 1,01 x 240 = 243 kVA

SIII = III.SđmIII = 0,92 x 320 = 294,5 kVA

Ta thấy MBA I có un nhỏ nhất bị quá tải nhiều, trong khi đó MBA III có un

lớn bị hụt tải Tải tổng tối đa để không MBA nào bị quá tải ứng I= 1 Lúc đó ta

có :

 S = 657,72 kVA

Rõ ràng là phần công suất đặt của các MBA không được lợi dụng sẽ bằng :

740 - 658 = 82 kVA

9 CÁC MÁY BIẾN ÁP ĐẶC BIỆT

9 1 Máy biến áp tự ngẫu

Máy biến áp tự ngẫu là loại máy biến áp chỉ có một cuộn dây, vừa giữ vai tro cuộn sơ cấp vừ giữ vai trò cuộn thứ cấp Như vậy ngoài sự liên hệ về từ còn có sự liên hệ trực tiếp với nhau về điện giữa dây quấn sơ cấp và dây quấn thứ cấp Hình 2-33 trình bày kiểu nối dây của mba tự ngẫu

Hình 2-33 Sơ đồ nối dây của mba tự ngẫu một pha

Ta thấy công suất truyền tải của mba tự ngẫu gồm hai thành phần :

- Truyền qua nhờ từ trường trong lõi thép

IE

EU

U

1

2 2

1 2

Tỉ số biến đổi điện áp của lưới điện :

kI

IU

U

CA

HA HA

CA   thường k < 2,5

Xét trường hợp nối thuận (hình a):

Xét trường hợp nối ngược (hình b):

Như vậy kiểu nối thuận có lợi hơn nên được dùng trong thực tế

Công dụng của máy biến áp tự ngẫu :

- Máy biến áp tự ngẫu dùng để liên lạc giữa các hệ thống điện có các cấp điện

áp khác nhau trong hệ thống điện như : 110-220; 220-500; 330-750 kV

- Máy biến áp tự ngẫu dùng để mở máy các động cơ không đồng bộ công suất lớn

- Máy biến áp tự ngẫu dùng rộng rãi làm nguồn cho các thiết bị điện sinh hoạt

- Máy biến áp tự ngẫu dùng ở các phòng thí nghiệm để thay đổi điện áp liên tục

Ưu nhược điểm của mba tự ngẫu :

• Ưu điểm :

- Máy biến áp tự ngẫu chế tạo rẽ hơn máy biến áp 2 dây quấn cùng công suất

- Lúc vận hành tổn hao trong máy biến áp tự ngẫu cũng nhỏ hơn:

nghĩa là tổn hao chỉ còn (

k

1

1 ) so với máy biến áp 2 dây quấn

- Điện áp un của máy biến áp tự ngẫu nhỏ còn (