Điện - Điện Tử - Chương 2: Máy biến áp

1Phần 1 Bài giảng Chương 2: Mỏy biến ỏp TS. Nguyễn Quang Nam 2013 – 2014, HK 2 nqnam@hcmut.edu.vn 2Phần 1
Truyền tải điện năng từ một mạch sang một mạch khỏc thụng qua từ trường.
Ứng dụng: cả lĩnh vực năng lượng lẫn truyền thụng.
Trong truyền tải, phõn phối, và sử dụng điện năng: tăng hay giảm điện ỏp ở tần số cố định (50/60 Hz), ở cụng suất hàng trăm W đến hàng trăm MW. Mỏy biến ỏp – Giới thiệu 3Phần 1
Trong truyền thụng, mỏy biến ỏp cú thể được dựng để phối hợp trở khỏng, cỏch ly DC, và thay đổi cấp điện ỏp ở cụng suất vài W trờn một dải tần số rất rộng.
Gần đõy, mỏy biến ỏp với lừi ferrite (cũn gọi là biến ỏp xung) đang ngày càng phổ biến theo sự phỏt triển của cỏc bộ biến đổi điện tử cụng suất (bộ nguồn xung trong cỏc mỏy tớnh là một vớ dụ).
Mụn học này chỉ xem xột cỏc mỏy biến ỏp cụng suất. Mỏy biến ỏp – Giới thiệu (tt) 4Phần 1
Sự biến đổi năng lượng chỉ yờu cầu cú từ thụng múc vũng biến thiờn theo thời gian. Do đú, lừi khụng khớ cũng cú thể tạo ra hiệu ứng biến ỏp, nhưng lừi thộp kỹ thuật điện sẽ cho phộp thực hiện hiệu quả hơn rất nhiều lần.
Lừi thộp trong mỏy biến ỏp được ghộp từ nhiều lỏ thộp mỏng, để giảm tổn hao do dũng điện xoỏy.
Mặc dự mỏy biến ỏp lực sử dụng lừi thộp, vẫn tồn tại một lượng nhỏ từ thụng tản, chỉ liờn quan đến từng dõy quấn. Mỏy biến ỏp – Giới thiệu (tt) 5Phần 1 Một số hỡnh ảnh về mỏy biến ỏp Điều khiển Cụng suất nhỏ 3 pha nhỏ Loại khụ 10 kV, ngõm dầu 110 kV, ngõm dầu 500 kV, ngõm dầu 6Phần 1
Nếu cấp điện cho dõy quấn sơ cấp, và để hở mạch dõy quấn thứ cấp, ta cú điều kiện làm việc khụng tải (hỡnh 2.4).
Để tạo ra từ thụng làm việc trong mỏy (bằng với giỏ trị bỡnh thường), cần cú một dũng điện được cung cấp từ nguồn, được gọi là dũng điện khụng tải.
Thụng thường dũng điện từ húa cú giỏ trị rất nhỏ so với dũng điện định mức, do đú cú thể xem điện ỏp cảm ứng cú giỏ trị bằng với điện ỏp đặt vào dõy quấn. Mỏy biến ỏp – Hoạt động khụng tải 7Phần 1
Giả sử từ thụng cú dạng
Điện ỏp đặt vào V1 khi đú sẽ thỏa món với f là tần số dũng điện từ húa, và N1 là số vũng dõy của cuộn sơ cấp.
Nếu mạch từ hoạt động ở vựng phi tuyến, dạng súng dũng từ húa sẽ khỏc với dạng súng từ thụng. Mỏy biến ỏp – Hoạt động khụng tải (tt) ( )tωφφ sinmax= 1max1max1 44,42 NfNfV φφpi == (2.1) (2.2) 8Phần 1
Dũng điện khụng tải bao gồm 2 thành phần: thành phần tổn hao lừi thộp và thành phần từ húa.
Khi mạch từ hoạt động ở vựng phi tuyến, dũng điện khụng tải sẽ gồm thành phần cơ bản và cỏc họa tần bậc lẻ. Xột thành phần cơ bản của dũng điện khụng tải hoặc dũng điện khụng tải hỡnh sin tương đương, cú thể biểu diễn dũng điện khụng tải bằng một giản đồ vectơ (hỡnh 2.5).
Vớ dụ 2.1 (sỏch Fitzgerald). Mỏy biến ỏp – Hoạt động khụng tải (tt) 9Phần 1
Xột một mạch từ cú quấn 2 cuộn dõy như hỡnh vẽ. Bỏ qua cỏc tổn hao, điện dung ký sinh, và từ thụng rũ. Mỏy biến ỏp lý tưởng φ N1 N2 i1 i2 v2v1 + – + – ( ) dt dNtv φ11 = ( ) dt dNtv φ22 = ⇒ ( )( ) aN N tv tv == 2 1 2 1 a được gọi là tỷ số vũng dõy.
Xem mạch từ cú độ thẩm từ vụ cựng lớn hay từ trở bằng 0. (2.3) 10Phần 1 Mỏy biến ỏp lý tưởng (tt)
Sức từ động tổng cho bởi 02211 ==+= φRiNiNmmf ⇒ ( ) ( ) aN N ti ti 1 1 2 2 1 −=−= Ideal N1:N2 + – + – i1 i2 v1 v2 aN N i i a N N v v 1 1 2 2 1 2 1 2 1 −=−=== ( ) ( ) ( ) ( ) 02211 =+ titvtitv
Dẫn đến mụ hỡnh toỏn của MBA như sau (2.4) (2.5) (2.6) 11Phần 1
Cú thể thấy rằng, với một mỏy biến ỏp lý tưởng (theo quy ước mạch điện như ở slide trước) Mỏy biến ỏp lý tưởng (tt) Ideal N1:N2 + – + – i1 i2 v1 v2 aN N i i a N N v v 1 1 2 2 1 2 1 2 1 ==== ( ) ( ) ( ) ( )titvtitv 2211 = av v L L i ik 11 1 2 1 2 2 1 −=−=−== ⇒ 2 12 2 21 NLNL =
Một mụ hỡnh khỏc sỏt với hiện tượng vật lý hơn (2.7) 12Phần 1
Xột 1 MBA lý tưởng với tải điện trở nối vào dõy quấn 2
Theo định luật Ohm
Thay và Tớnh chất thay đổi trở khỏng của MBA lý tưởng RL Ideal N1:N2 + – + – i1 i2 v1 v2 LRi v = 2 2 avv 12 = 12 aii = LL RN NRa i v 2 2 12 1 1       ==
Cú thể dễ dàng mở rộng kết quả trờn cho cỏc hệ thống cú tải phức. Cú thể chứng minh rằng LL ZaZN N I V N N I V 2 2 2 1 2 2 2 2 1 1 1 =      =      = (2.8) (2.9) 13Phần 1
Như vậy, nếu chỉ khảo sỏt phớa sơ cấp, sẽ khụng thể phõn biệt được giữa mạch điện cú điện trở tương đương nối vào sơ cấp, với mạch điện cú tổng trở tải nối vào thứ cấp.
Túm lại, trong mỏy biến ỏp lý tưởng, điện ỏp được quy đổi theo tỷ số vũng dõy, dũng điện theo nghịch đảo tỷ số vũng dõy, và tổng trở theo bỡnh phương tỷ số vũng dõy. Cụng suất thực và cụng suất biểu kiến khụng đổi. Quy đổi tổng trở, điện ỏp, và dũng điện 14Phần 1
Tớnh chất thay đổi trở khỏng cú thể được dựng để cực đại húa việc truyền cụng suất giữa cỏc dõy quấn, hay phối hợp trở khỏng.
Một MBA lý tưởng được đặt giữa nguồn cụng suất (trở khỏng Zo) và tải (trở khỏng ZL). Tỷ số vũng dõy được chọn sao cho Phối hợp trở khỏng ( ) Lo ZNNZ 221≈ (2.10) 15Phần 1
Xột một MBA với từ thụng rũ và điện trở dõy quấn. Mạch tương đương rỳt trực tiếp từ mụ hỡnh vật lý là đơn giản nhưng khụng cú ớch lắm. Cỏc phương trỡnh phớa thứ cấp được nhõn với a (= N1/N2) và i2 được thay thế bởi i2/a, để rỳt ra một mạch tương đương cú ớch hơn (hỡnh 2.10). Mạch tương đương của MBA với mạch từ tuyến tớnh RL N1:N2 + – + – i1 i2 v1 v2 a 2RL a2R2 aM i1 i2/a R1 L1 – aM a 2L2 – aM v1 av2 – + – + 16Phần 1 Mạch tương đương của MBA với mạch từ tuyến tớnh
L1 – aM được gọi là điện cảm tản của dõy quấn 1, a2L2 – aM được gọi là điện cảm tản “quy đổi” của dõy quấn 2. aM là điện cảm từ húa, và dũng điện đi cựng với nú được gọi là dũng điện từ húa.
Tồn tại tổn hao cụng suất trong lừi từ do từ trễ và dũng xoỏy. Cỏc tổn hao này rất khú tớnh toỏn bằng giải tớch. Tổng cỏc tổn hao này biểu diễn tổn hao tổng trong mạch từ của mỏy biến ỏp, và chỉ phụ thuộc vào giỏ trị Bm. Chỳng được gọi là tổn hao (lừi) thộp. Một điện trở cú thể được mắc song song với điện khỏng từ húa aM để kể đến cỏc tổn hao này. 17Phần 1 Mạch tương đương của MBA với mạch từ tuyến tớnh (tt) RL Ideal N1:N2 + – + – i1 i2 v1 v2 + – av2 R1 L1 – aM Rc1 (aM)1 a2R2 a 2L2 – aM
Tải thực RL và điện ỏp/dũng điện đi cựng với nú cú thể cú được bằng cỏch quy đổi ngược về phớa thứ cấp, qua một MBA lý tưởng (như được thể hiện ở hỡnh trờn).
Khi cú xột đến cỏc tổn hao cụng suất, mạch tương đương (hỡnh T) của MBA như sau 18Phần 1
Khi vận hành xỏc lập, cỏc trở khỏng và vectơ pha cú thể được dựng trong mạch tương đương. Mỏy biến ỏp vận hành xỏc lập hỡnh sin ZL Ideal N1:N2 + – + – + – R1 jxl1 Rc1 jXm1 a2R2 ja 2xl2 với 1I 2I 2V1V 2Va aI 2 ( ) ( ) ( ) ( ) ==− ==− == ==− 2 2 2 2 22 1 11 l l m l xaaMLa xaML XaM xaML ω ω ω ω Điện khỏng tản của dõy quấn 1 Điện khỏng từ húa quy đổi về dõy quấn 1 Điện khỏng tản của dõy quấn 2 Điện khỏng tản của d/quấn 2 quy đổi về d/quấn 1 19Phần 1
Tất cả cỏc đại lượng cú thể được quy đổi về dõy quấn 1 Mỏy biến ỏp vận hành xỏc lập hỡnh sin (tt) a2ZL + – + – R1 jxl1 Rc1 jXm1 a2R2 ja 2xl2 1I 1V 2Va aI 2 ZL + – + – R1/a2 jxl1/a 2 Rc1/a2 jXm1/a2 R2 jxl2 1Ia aV1 2V 2I
Hoặc cú thể quy đổi về dõy quấn 2 1Phần 2 Bài giảng Chương 2: Mỏy biến ỏp TS. Nguyễn Quang Nam 2013 – 2014, HK 2 nqnam@hcmut.edu.vn 2Phần 2
Nhỏnh từ húa khiến việc tớnh toỏn khỏ khú khăn, do đú nhỏnh này được chuyển lờn phớa đầu dõy quấn 1, tạo thành một mạch tương đương gần đỳng, với sai số khụng đỏng kể. Cỏc yếu tố kỹ thuật trong phõn tớch MBA R1 1I+ – Rc1 jXm11V a2ZL + – jxl1 a2R2 ja 2xl2 2Va aI2 R1eq 1I+ – Rc1 jXm11V a2ZL + – jx1eq 2Va aI2 2 2 11 2 2 11 lleq eq xaxx RaRR += += (2.11) (2.12) 3Phần 2
Cỏc thụng số trong mạch tương đương cú thể được xỏc định nhờ hai thớ nghiệm đơn giản: thớ nghiệm hở mạch and thớ nghiệm ngắn mạch.
Trong cỏc MBA cụng suất, cỏc dõy quấn cũn được gọi là dõy quấn cao ỏp (HV) và dõy quấn hạ ỏp (LV). Cỏc tờn gọi này được dựng trong cỏc thớ nghiệm hở mạch và ngắn mạch. Thớ nghiệm hở mạch và ngắn mạch của MBA 4Phần 2
Thớ nghiệm được thực hiện với tất cả dụng cụ đo ở phớa hạ ỏp cũn phớa cao ỏp được hở mạch. Đặt điện ỏp định mức vào phớa hạ ỏp. Đo được Voc, Ioc, và Poc bằng cỏc dụng cụ đo. Thớ nghiệm hở mạch A V W ocV LV HV Thớ nghiệm hở mạch ocV Rc Xm RI XI ocI Mạch tương đương 5Phần 2
Lần lượt tớnh toỏn như sau Thớ nghiệm hở mạch (tt) oc oc c P V R 2 = c oc R R V I = XRoc III += Vậy, 22 RocX III −= X oc m I V X =
Rc và Xm là cỏc giỏ trị quy đổi về phớa hạ ỏp. ocV Rc Xm RI XI ocI Mạch tương đương 6Phần 2
Tất cả dụng cụ đo nằm ở phớa cao ỏp. Cấp dũng điện định mức vào phớa cao ỏp. Đo được Vsc, Isc, và Psc bằng cỏc dụng cụ đo. Thớ nghiệm ngắn mạch
Req và Xeq được quy đổi về phớa cao ỏp. A V W scV HV LV Req Xeq scV scI 2 sc sc eq I P R = sc sc eq I V Z = 22 eqeqeq RZX −= 7Phần 2
Hiệu suất được định nghĩa là tỷ số giữa cụng suất thực ngừ ra và cụng suất thực ngừ vào. Hiệu suất %100%100 ì ++ =ì + == icout out out out in out PPP P lossesP P P Pη Cỏc tổn hao (losses) bao gồm tổn hao đồng Pc và tổn hao sắt (thộp) Pi.
Cỏch khỏc, nếu đó biết cụng suất vào, %100ì−−= in icin P PPPη (2.13) (2.14) 8Phần 2
Định nghĩa hệ số tải β Hiệu suất (tt) dmI I 2 2 =β
Hiệu suất cú thể được tớnh bởi ( ) ( ) %100cos1% 202 2 0 ì      ++ + −= ndm n PPS PP βθβ βη (2.15) (2.16) với P0 = Poc, Pn = Psc, và Sdm là cụng suất (biểu kiến) định mức của mỏy biến ỏp. 9Phần 2 Độ ổn định điện ỏp
Độ ổn định điện ỏp được định nghĩa là %100% load loadload no ì − =∆ V VVV Vno load – điện ỏp khụng tải, Vload – điện ỏp khi cú tải
Độ ổn định được hiểu theo nghĩa: giỏ trị %∆V càng nhỏ thỡ điện ỏp càng ổn định, khi tải thay đổi.
Thảo luận: Độ ổn định điện ỏp cú phụ thuộc vào tớnh chất cảm khỏng hay dung khỏng của tải hay khụng? (2.17) 10Phần 2 Độ ổn định điện ỏp (tt)
Cú thể tớnh gần đỳng ( ) ( )( ) %100sin%cos%% 22 ì+=∆ θθβ nxnr uuV với β là hệ số tải, θ2 là gúc hệ số cụng suất phớa của tải, unr và unx là phần thực và phần ảo của vectơ pha ∆U (là hiệu của vectơ pha điện ỏp U2 khi khụng tải và khi cú tải). (2.18) 11Phần 2 Mỏy biến ỏp tự ngẫu
Hai cuộn dõy của một MBA bỡnh thường cú thể được nối lại để tạo thành MBA tự ngẫu, như hỡnh 2.17b. Nguồn: “Electric Machinery”, 6E, Fitzgerald 12Phần 2 Mỏy biến ỏp tự ngẫu (tt)
Việc làm trờn sẽ khiến 2 cuộn dõy của mỏy khụng cũn cỏch ly với nhau nữa.
Tuy nhiờn, khi điện ỏp sơ cấp và thứ cấp khụng quỏ khỏc biệt, MBA tự ngẫu cú thể giảm chi phớ chế tạo nhiều, cũng như cú điện khỏng tản, tổn hao, và dũng điện khụng tải nhỏ hơn so với MBA 2 dõy quấn (vớ dụ 2.7). 13Phần 2 Vớ dụ 2.7 (Sỏch Fitzgerald)
MBA 2400:240-V 50 kVA trong vd 2.6 được nối thành mỏy biến ỏp tự ngẫu (BATN), như trong hỡnh 2.18a, với ab là dõy quấn 240 V và bc là dõy quấn 2400 V.
Tớnh định mức điện ỏp VH và VX tương ứng với phớa cao ỏp và hạ ỏp.
Tớnh định mức kVA của BATN
Tổn thất được cho trong vd 2.6. Tớnh hiệu suất định mức của BATN ở tải định mức với hệ số cụng suất 0,8 trễ. 14Phần 2
Cú thể dựng 3 mỏy biến ỏp 1 pha để nối thành mỏy biến ỏp 3 pha theo 1 trong 4 cỏch sau: Y-∆, ∆- Y, ∆-∆, và Y-Y (hỡnh 2.19, sỏch Fitzgerald).
Trong cỏc sơ đồ trờn hỡnh, cỏc cuộn dõy sơ cấp và thứ cấp song song với nhau là cỏc cuộn dõy tương ứng.
Bất chấp kiểu nối dõy, định mức của mỏy biến ỏp 3 pha bằng 3 lần định mức của mỏy biến ỏp 1 pha thành phần. Mỏy biến ỏp ba pha 15Phần 2 Mỏy biến ỏp ba pha (tt) Nguồn: “Electric Machinery”, 6E, Fitzgerald 16Phần 2
Kiểu nối Y-∆ thường được dựng để hạ điện ỏp từ cao thế xuống trung hoặc hạ thế. Lý do là trung tớnh phớa cao thế trong nhiều trường hợp cần được nối đất.
Kiểu nối ∆-Y thường dựng để tăng điện ỏp đến giỏ trị cao thế.
Kiểu nối ∆-∆ cú một ưu điểm là một mỏy biến ỏp cú thể được thỏo ra để sửa chữa trong khi hai mỏy cũn lại vẫn vận hành với tổng cụng suất cũn 58%. Mỏy biến ỏp ba pha (tt) 17Phần 2
Kiểu nối Y-Y ớt khi được dựng vỡ khụng cú dõy quấn nào cho phộp khử cỏc họa tần bậc 3.
Cũng cú thể sử dụng một lừi thộp nhiều trụ để chế tạo mỏy biến ỏp 3 pha. Cỏc ưu điểm: chi phớ, trong lượng, diện tớch sàn nhỏ hơn, và hiệu suất cao hơn đụi chỳt. Mỏy biến ỏp ba pha (tt) 18Phần 2
Với cỏc hệ cõn bằng, cú thể phõn tớch mỏy 3 pha bằng sơ đồ 1 pha, với giả thiết hiện tượng xảy ra trong 2 pha cũn lại khụng khỏc gỡ.
Khi gặp cỏc bài toỏn cú cỏc mạch 3 pha nối ∆, cú thể quy đổi thành mạch 3 pha nối Y tương đương.
Vớ dụ 2.8 (sỏch Fitzgerald). Mỏy biến ỏp ba pha (tt) 19Phần 2
Ba MBA một pha 50 kVA, 2400:240-V hoàn toàn giống nhau (như trong vd 2.6) được nối theo kiểu Y- ∆ để tạo thành MBA 150 kVA, và nối vào một đường dõy cú tổng trở 0,15 + j1,00 Ω/pha.
MBA cung cấp cho một tải 3 pha cõn bằng thụng qua một đường dõy cú tổng trở 0,0005 +j0,002 Ω/pha. Tỡm điện ỏp dõy của tải khi tải tiờu thụ dũng định mức từ MBA ở HSCS 0,8 trễ. Vớ dụ 2.8 (Sỏch Fitzgerald) 20Phần 2
Mỏy biến ỏp cũng thường được dựng trong đo lường để điều chỉnh cấp điện ỏp hay dũng điện cho phự hợp với thang đo của thiết bị đo.
Điện ỏp và dũng điện cần đo cú thể cú giỏ trị rất lớn so với cỏc thang đo đó chuẩn húa.
Một kỹ thuật phổ biến là dựng cỏc mỏy biến ỏp đặc biệt, gọi là PT và CT. Mỏy biến điện ỏp và mỏy biến dũng 21Phần 2
PT (Potential Transformer) là mỏy biến điện ỏp, vận hành ở chế độ gần như hở mạch, cho phộp cú điện ỏp thứ cấp tỷ lệ và cựng pha với sơ cấp.
CT (Current Transformer) là mỏy biến dũng, vận hành ở chế độ gần như ngắn mạch, cho phộp cú dũng điện thứ cấp tỷ lệ và cựng pha với sơ cấp. Mỏy biến điện ỏp và mỏy biến dũng (tt) 22Phần 2
PT và CT, gọi chung là mỏy biến ỏp đo lường, được chế tạo giống với mỏy biến ỏp lý tưởng đến mức cú thể.
Sai số của PT cú thể được giảm thiểu bằng cỏch chế tạo sao cho tổng trở tản sơ cấp nhỏ hơn rất nhiều so với điện khỏng từ húa.
Sai số này tăng lờn khi PT mang tải (hữu hạn). Mỏy biến điện ỏp và mỏy biến dũng (tt) 23Phần 2
Sai số của CT cũng cú thể được giảm thiểu bằng cỏch làm cho tổng trở tản thứ cấp nhỏ hơn rất nhiều so với điện khỏng từ húa.
Sai số này tăng lờn khi CT mang tải (hữu hạn).
Tải của PT phải lớn hơn một giỏ trị tối thiểu, và tải của CT phải nhỏ hơn một giỏ trị tối đa, để đảm bảo sai số nằm trong phạm vi thiết kế. Mỏy biến điện ỏp và mỏy biến dũng (tt)