BÀI 3: THIẾT BỊ ĐIỆN GIA DỤNG
6. Máy biến áp một pha
* Định nghĩa
Máy biến áp là thiết bị tĩnh, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều nhưng vẫn giữ nguyên tần số.
Máy biến đổi tăng điện áp được gọi là máy biến áp tăng áp, máy biến đổi giảm điện áp được gọi là máy biến áp giảm áp.
* Công dụng của máy biến áp
Thông thường nhà máy điện và nơi tiêu tiêu thụ có khoảng cách khá xa, vì vậy để điện năng đưa tới nơi tiêu thụ thì phải truyền tải điện từ nhà máy điện đến nơi tiêu thụ bằng đường dây truyền tải. Với cùng một công suất truyền tải thì dòng điện trên đường dây giảm nếu tăng điện áp do đó giảm tổn thất trên đường dây và tiết diện dây dẫn giảm, giảm chi phí đường dây truyền tải.
Khoảng cách truyền tải càng xa thì điện áp càng cao. Đường dây cao áp có các cấp điện áp: 35, 110, 220, 500 kV nhưng máy phát chỉ phát ra điện áp từ 3 – 6 kV. Do đó, cần có thiết bị để tăng điện áp ở đầu đường dây lên điện áp truyền tải. Mặt khác, các hộ tiêu thụ điện chỉ sử dụng điện áp thấp (0,23 – 6 kV), do vậy để sử dụng nguồn điện này cần giảm điện áp xuống.
Thiết bị dùng để tăng và giảm điện áp gọi là máy biến áp.
Hình 3.25. Sơ đồ đường dây truyền tải
Ngoài ra, máy biến áp còn được sử dụng trong các lĩnh vực khác như: kỹ thuật điện tử (để ghép nối giữa các tầng, khuếch đại), máy biến áp dân dụng
* Phân loại
- Theo công dụng, máy biến áp gồm có các loại chính sau:
+ Máy biến áp lực: dùng trong truyền tải và phân phối điện năng.
+ Máy biến áp điều chỉnh loại công suất nhỏ dùng phổ biến trong gia đình để ổn định điện áp khi điện áp dầu vào thay đổi.
+ Máy biến áp công suất nhỏ dùng để đóng cắt các thiết bị điện tử và dùng trong gia đình.
+ Máy biến áp đặc biệt: máy biến áp đo lường, máy biến áp hàn, máy biến áp chỉnh lưu...
- Theo số pha: máy biến áp một pha và ba pha
- Theo vật liệu làm lõi: máy biến áp lõi thép và máy biến áp lõi không khí.
- Theo phương pháp làm mát: máy biến áp làm mát bằng không khí và máy biến áp làm mát bằng dầu.
6.2. Cấu tạo máy biến áp một pha
Máy biến áp gồm 3 bộ phận chính: bộ phận dẫn từ (lõi thép), dẫn điện (dây quấn) và vỏ máy bảo vệ. Ngoài ra, còng có các phần cách điện, đồng hồ đo, bộ phận điều chỉnh, bảo vệ, chuông, đèn báo...
a. Lõi thép: được chế tạo bằng thép kỹ thuật điện có nhiệm vụ làm mạch dẫn từ, đồng thời làm khung dây quấn.
Thép kỹ thuật điện là thép hợp kim có thành phần Silic, được cán thành các lá thép dày 0,35mm hoặc 0,5 mm bên ngoài có lớp cách điện. Lõi thép được ghép bởi các lá thép nhằm giảm tổn hao do dòng phucô trong quá trình làm việc.
Phần lõi thép có quấn dây gọi là trụ từ, phần lõi thép nối các trụ từ thành mạch kín gọi là gông từ.
Hình 3.26 Cấu tạo lõi thép máy biến áp
b. Bộ phận dẫn điện (dây quấn): thường làm bằng dây đồng mềm, có độ cơ học cao, khó đứt, dẫn điện tốt. Thông thường máy biến áp có hai cuộn dây lồng vào nhau gọi là dây quấn sơ cấp và thứ cấp.
Dây quấn nối với nguồn, nhận năng lượng từ nguồn gọi là dây quấn sơ cấp. Dây quấn nối với phụ tải, cung cấp điện cho phụ tải gọi là dây quấn thứ cấp.
Hình 3.27 Sơ đồ nguyên lý máy biến áp
Máy biến áp có dây quấn sơ cấp và thứ cấp không nối điện với nhau và có hai dây quấn gọi là máy biến áp cách ly. Máy biến áp có chung dây quấn gọi là máy biến áp tự ngẫu. Loại máy biến áp này chỉ có một dây quấn nên tiết kiệm lõi thép, dây quấn và tổn thất công suất nhưng do sơ cấp và thứ có chung dây quấn nên kém an toàn. Trong kỹ thuật điện không sử dụng
máy biến áp tự ngẫu vì nguy hiểm cho người sử dụng và nó phát ra tiếng ù gây nhiễu.
6.3. Các thông số kỹ thuật định mức của máy biến áp
Các thông số kỹ thuật định mức của máy biến áp quy định điều kiện kỹ thuật của máy biến áp, do nhà máy chế tạo quy định thường ghi trên nhãn hiệu máy biến áp. Trên biển máy biến áp có ghi các trị số định mức sau:
- Công suất định mức Sđm: là công suất đưa ra ở thứ cấp máy biến áp.
Đơn vị: V.A hay kV.A
- Điện áp sơ cấp định mức U1đm: là điện áp của dây quấn sơ cấp. Đơn vị: V hay kV.
- Dòng điện sơ cấp định mức I1đm: là dòng điện sơ cấp ứng với công suất định mức và điện áp định mức. Đơn vị: A hay kA.
- Điện áp thứ cấp định mức U2đm: là điện áp thứ cấp của máy biến áp.
Đơn vị: V hay kV.
- Dòng điện thứ cấp định cấp I1đm: là dòng điện dây quấn thứ cấp ứng với công suất và điện áp định mức. Đơn vị: A hay kA.
Công suất, điện áp và dòng điện định mức có quan hệ như sau:
Sđm = U1đm I1đm = U2đm I2đm
Khi máy biến áp làm việc các thông số không được vượt qua các giá trị định mức trên.
6.4. Nguyên lý máy biến áp một pha a. Hiện tượng cảm ứng điện từ
Nếu cho dòng điện biến đổi đi qua cuộn dây, nó sẽ sinh ra một từ trường biến đổi. Ta đặt cuộn dây thứ hai (khép kín) trong từ trường của cuộn dây thứ nhất thì ở cuộn dây thứ hai sẽ sinh ra dòng điện cảm ứng. Dòng điện này cũng biến thiên giống như dòng điện của cuộn dây sinh ra nó. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ. Hai cuộn dây càng đặt gần nhau thì mức độ cảm ứng điện từ càng mạnh. Đặc biệt khi hai cuộn dây quấn chung trên một lõi thép.
b. Nguyên lý hoạt động của máy biến áp.
Theo hiện tượng cảm ứng điện từ khi ta đặt điện áp U1 vào cuộn dây W1 sẽ có dòng điện I1 chạy qua cuộn dây W1 dòng điện này sinh ra từ thông biến thiên. Theo định luật cảm ứng điện từ trong cuộn dây W1 sinh ra sức điện động E1 và cuộn dây W2 sinh ra sức điện động E2 các sức điện động này được xác định theo công thức:
e1 = 4,44 f W1 maxsin (t - ) e2 = 4,44 f W2 maxsin (t - ) Trong đó: f - tần số nguồn điện U1
W1 - số vòng dây của cuộn sơ cấp W2 - số vòng dây cuộn vòng thứ cấp
- góc pha của sức điện động tại thời điểm tính
Như vậy, nhìn vào công thức ta thấy với một máy biến áp được chế tạo làm việc với môt tần số nguồn đã định, nghĩa là hai cuộn dây có chung một mạch từ, cùng làm việc một tần số khi đó sức điện động của chúng tỷ lệ với số vòng dây
=
Nếu bỏ qua tổn thất của máy biến áp có thể xem gần đúng e1 = U1, e2 = U2, ta có
= = k
k: tỷ số máy biến áp, nếu k > 1: máy biến áp giảm áp; k < 1: máy biến áp tăng áp
Khi nối cuộn dây W2 với phụ tải thì dòng điện thứ cấp I2 xuất hiện.
Phụ tải càng tăng, dòng điện I2 càng tăng, làm dòng điện I1 tăng theo tương ứng để giữ ổn định từ thông không đổi.
Công suất máy biến áp nhận từ nguồn là : P1 = U1.I1 (V.A) Công suất máy biến áp cấp cho phụ tải là : P2 = U2.I2 (V.A) Bỏ qua tổn hao, ta có : P1 = P2 hay U1.I1 = U2.I2 suy ra k =
Tức là, máy biến áp tăng điện áp bao nhiêu lần thì dòng điện giảm đi bấy nhiêu lần và ngược lại.
c. Vỏ máy: thường được làm bằng kim loại để bảo vệ máy. Ngoài ra, vỏ máy còn có giá lắp đồng hồ đo, bộ phận chuyển mạch...
d. Vật liệu cách điện cả máy biến áp: làm nhiệm vụ cách điện giữa các vòng dây với nhau, giữa dây quấn và lõi thép, giữa phần dẫn điện và không dẫn điện. Tuổi thọ của máy biến áp phụ thuộc vào chất cách điện. Máy biến áp sử dụng chất cách điện: giấy cách điện, vải thủy tinh, vải bông và sơn cách điện...
6.5. Bảo dưỡng và sửa chữa một số hư hỏng thường gặp ở máy biến áp
* Kiểm tra máy biến áp để xác định hư hỏng
- Máy biến áp làm việc không bình thường (điện áp nguồn đưa vào máy biến áp bằng điện áp định mức)
+ Nguyên nhân: bị chập một số vòng dây phía sơ cấp hoặc thứ cấp, máy nóng, đo dòng sơ cấp lớn.
Chạm mát: nếu vỏ máy không nối đất, máy vẫn làm việc bình thường nhưng rất nguy hiểm. Kiểm tra chạm mát bằng đèn thử, ômkế, đồng hồ vạn năng hoặc vôn kế.
Đứt dây: dùng đồng hồ vạn năng, vônkế kiểm tra cầu chì, kiểm tra tiếp xúc, và các đầu nối chuyển mạch.
* Những hư hỏng thường gặp và biện pháp xử lý
Khi gặp hư hỏng nhẹ, dây quấn và cách điện chưa bị hỏng có thể khắc phục và cho máy tiếp tục hoạt động. Các hư hỏng như: dây quấn, cách điện bị cháy thì phải quấn lại. Dựa vào các hiện tượng, ta có thể phán đoán kết hợp với đo và kiểm tra sẽ đưa ra kết luận và biện pháp xử lý.
Bảng 3.6 Những hư hỏng thường gặp trong máy biến áp 1 pha Hiện tượng Nguyên nhân Thiết bị, dụng
cụ
Biện pháp khắc phục
Máy không - Cháy cầu chì - Ômkế, kìm, - Tháo cầu chì, kiểm
làm việc
- Sai điện áp
- Hở mạch sơ cấp, thứ cấp, tiếp xúc chuyển mạch kém
- Đứt ngầm dây quấn
clê...
- Vônkế
- Đồng hồ vạn năng, dụng cụ tháo, lắp máy - Đồng hồ vạn năng
tra, thay thế
- Đo điện áp U1, đưa đúng điện áp.
- Nối lại dây nối vào, ra máy. Đo kiểm tra tìm chỗ tiếp xúc xấu ở chuyển mạch
- Tháo máy kiểm tra – Quấn lại dây
Máy làm việc nhưng nóng
- Quá tải - Chập mạch
- Đồng hồ vạn năng
- Đồng hồ vạn năng và dụng cụ tháo máy
- Kiểm tra phụ tải, giảm tải
- Tháo máy kiểm tra tìm dây quấn bị chập.
Quấn lại dây bị hỏng Máy làm
việc nhưng kêu ồn
Các lá thép ghép không chặt
Kìm, clê, tuavit Tháo máy ép chặt các lá thép
Rò điện ra vỏ máy
- Chạm dây vào lõi thép
- Đầu dây ra cách điện kém, chạm vỏ và lõi thép
- Máy quá ẩm, rò điện ra lõi thép
- Ômkế - Ômkế
- Nguồn nhiệt:
bóng đèn
- Thay cách điện - Làm cách điện dây ra.
- Sấy cách điện Điện vượt
quá định mức,
chuông không báo
- Tắcte hỏng - Cuộn dây nam châm đứt hoặc khe hở lớn
- Dụng cụ tháo tắcte
- Ômkế
- Kiểm tra thay tắcte - Tháo kiểm tra, chỉnh hoặc quấn lại cuộn nam châm
Máy cháy Công suất máy không đủ cấp cho tải
- Đồng hồ vạn năng và dụng cụ tháo máy
- Tháo máy, ghi chép số liệu, quấn lại dây quấn