Giáo trình Máy điện 1 - Phần 1: Máy biến áp - Chương 5 Máy biến áp đặc biệt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN BỘ MÔN: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP MÁY ĐIỆN 1 2008 Chương 5 MÁY BIẾN ÁP ĐẶC BIỆT 5.1. MBA BA DÂY QUẤN MBA ba dây quấn là MBA có một dây quấn sơ và hai dây quấn thứ, dùng để cung cấp điện cho các lưới điện có điện áp khác nhau, ứng với các tỉ số biến đổi : 2 1 2 1 12 N N U U a  ; 3 1 3 1 13 N N U U a  (5.1) Ưu điểm của MBA ba dây quấn so với MBA hai dây quấn : 1. Giá thành sản xuất rẻ hơn MBA hai dây quấn. 2. Mặt bằng chiếm chỗ bé hơn. 3. Liên tục truyền tải năng lượng từ dây quấn sơ sang hai dây quấn thứ hoặc truyền từ dây quấn thứ nầy sang dây quấn thứ khác. 4. Tổn thất năng lượng bé hơn MBA hai dây quấn khoảng chừng hai lần. Khuyết điểm của MBA ba dây quấn so với MBA hai dây quấn : 1. Độ tin cậy của MBA ba dây quấn bé hơn MBA hai dây quấn vì sự cố trong MBA thì phía thứ cấp của hai lưới sẽ mất điện. 2. Việc bố trí đầu ra của MBA ba dây quấn phức tạp hơn MBA hai dây quấn. Cũng như máy biến áp hai dây quấn, người ta chế tạo máy biến áp ba dây quấn theo kiểu tổ máy biến áp ba pha hoặc máy biến áp ba pha ba trụ, ở mỗi pha đặt ba dây quấn như hình 5.1. Tiêu chuẩn tổ nối dây MBA ba dây quấn Y0/Y0/-12-11 và tổ MBA ba pha hay MBA ba pha ba trụ Y0//-11-11. Theo qui định tiêu chuẩn về công suất chế tạo MBA ba dây quấn: S1đm/S1đm S2đm/S1đm S3đm/S1đm . 1 1 1 1 1 2/3 1 2/3 2/3 (1 2/3 1) 3 1 2 2 1 3 2U  1U  3U  2I  1I  3I Hình 5.1 MBA ba dây quấn T 5.1.1. Phương trình cơ bản, mạch điện thay thế, đồ thị vectơ của MBA 3 dây quấn. Quá trình điện từ trong MBA ba dây quấn được mô tả mhư MBA hai dây quấn, tất cả các đại lượng của hai dây quấn thứ 2, 3 quy đổi về số vòng của dây quấn sơ: 1 2 2 ' 2 N N II  ; 1 3 3 ' 3 N N II  ; 2 1 2 ' 2 N N UU  ; 3 1 3 ' 3 N N UU  Cũng như MBA hai dây quấn, dòng từ hóa MBA ba dây quấn rất nhỏ được xác định : 0IIII 0 ' 3 ' 21   (5.2) Sđđ hổ cảm : m o' 21 Y I EE    với Ym = Gfe - jBm Điện kháng tản trong mỗi dây quấn: 1t1 LX  ; 2t2 LX  ; 3t3 LX  . Điện kháng tản: X1, X2, X3 là điện kháng tản tương đương của dây quấn, được tìm thấy khi có tính đến ảnh hưởng của các dây quấn khác. (Ngẫu hợp từ thông tản). Phương trình cân bằng điện áp của MBA ba dây quấn : 111111111 IZEIRjXIEU   '2 ' 2 ' 2 ' 2 ' 2 ' 2 ' 2 ' 2 ' 2 IZEIRjXIEU   . (5.3) '3 ' 3 ' 3 ' 3 ' 3 ' 3 ' 3 ' 3 ' 3 IZEIRjXIEU   . Tổng trở nhánh từ hoá Zm tìm được bằng tính toán hoặc thí nghiệm. Các tổng trở Z1,Z’2,Z’3, được xác định từ thí nghiệm ngắn mạch (hình 5.3) như: Zn12 = Z1 + Z’2 = rn12 + jxn12 Zn13 = Z1 + Z’3 = rn13 + jxn13 (5.4) Zn23 = Z’2 + Z’3 = rn23 + jxn23 . Giải hệ phương trình ta tìm được :Z1 , Z’2 , Z’3. Z1= 2 1 (Zn12 + Zn13- Zn23); Z’2= 2 1 (Zn12+ Zn23- Zn13); (5.5) Hình 5.2 Sơ đồ thay thế MBA 3 dây quấn 1U  2U 3U  Z1 Z2’ Zm Z3’ 1I  0I  'I2  'I3 Z’3= 2 1 (Zn13+ Zn23- Zn12). Từ đồ thị vectơ của MBA ba dây quấn (hình 5-4), ta thấy U’2 không những phụ thuộc vào I’2 mà còn phụ thuộc vào I’3. Và U’3 không những phụ thuộc vào I’3 mà còn phụ thuộc vào I’2. Để giảm ảnh hưởng nầy ta cần giảm tổng trở Z1 bằng cách đặt cuộn dây 1 vào giữa 2 dây quấn 2 và 3, lúc đó x1 có thể có giá trị âm. 5.1.2. Độ thay đổi điện áp thứ cấp MBA ba dây quấn. Dây quấn 1 và 2 : dm ' dm * U UU U 1 21 12   . = unr*12 cos2 + unx*12 sin2 + unr*(3) cos3 + unx*(3) sin3 (5.6) Trong đó: dm1 ' 212n 12*nr U IR u  ; dm1 ' 212n 12*nx U IX u  ; dm1 ' 31 )3(*nr U IR u  ; dm1 ' 31 )3(*nx U IX u  ; Dây quấn 1 và 3 : dm ' dm * U UU U 1 31 13   . Un Z1 Z3’ Z2’ Un Z1 Z3’ Z2’ Un Z1 Z3’ Z2’ Un Un Un 1 1 2 3 2 3 3 1 2 3 Hình 5.3 Sơ đồ và mạch điện thay thế khi thí nghiệm ngắn mạch MBA ba dây quấn Hình 5-4 Đồ thị vectơ MBA 3 dây quấn jx1I1 jx’2I’2 E’2 r’2I’2 U’2 I’3 I’2 I1 I0 U’3  = unr*13 cos3 + unx*13 sin3 + unr*(2) cos2 + unx*(2) sin2 .(5.7) Trong đó: dm1 ' 313n 13*nr U IR u  ; dm1 ' 313n 13*nx U IX u  ; dm1 ' 21 )2(*nr U IR u  ; dm1 ' 21 )2(*nx U IX u  ; I2 , I3 : dòng điện tải. cos2 ,cos3 : hệ số công suất. 5.2. MÁY BIẾN ÁP TỰ NGẪU. MBA tự ngẫu là loại MBA mà ở đó 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. Về cấu tạo và nguyên lý làm việc của MBA tự ngẫu tương tự MBA thông thường, chỉ khác cách đấu dây giữa hai cuộn dây sơ cấp và thứ cấp. Trên hinh 5-3a, trình bày một MBA tự ngẫu có một cuộn dây với một đầu rẽ (có thể nhiều đầu). Nếu MBA tự ngẫu vận hành giảm áp thì dây quấn thứ là bộ phận của dây quấn sơ, còn tăng áp thì dây quấn sơ là bộ phận của dây quấn thứ; trên hình 5-3b, ta nối MBA tự ngẫu vận hành giảm áp như như vậy dây quấn thứ cấp là một phần của dây quấn sơ cấp, và ta gọi: NCA = số vòng dây phía điện áp cao NHA = số vòng dây phía điện áp thấp Tỉ số biến áp là: HA CA HA CA N N U U  hay là CA HA CAHA N N UU  Ở MBA tự ngẫu, ta thay đổi vị trí tiếp điểm trượt, sẽ thay đổi được số vòng dây NHA và do đó thay đổi được điện áp UHA. Vì thế máy biến áp tự ngẫu dùng để điều chỉnh điện áp ra liên tục. MBA tự ngẫu một pha công suất nhỏ được dùng trong các phòng thí nghiệm và trong các thiết bị điện có yêu cầu điều chỉnh điện áp ra liên tục. MBA tự ngẫu ba pha thường dùng để điều chỉnh điện áp khi mở máy các động cơ điện không đồng bộ ba pha công suất lớn nhằm giảm dòng điện mở máy và dùng để liên lạc trong hệ thống điện có các cấp điện áp gần nhau như : 110-220; 220-500; 330-750 kV. Ngoài ra MBA tự ngẫu dùng rộng rãi làm nguồn cho các thiết bị điện sinh hoạt. Còn khuyết điểm của MBA tự ngẫu là dây quấn cao áp và dây quấn hạ áp không được cách ly về điện nên độ an toàn thấp. Chẳng hạn, nếu máy tự biến áp bị sự cố trên đoạn ax hình 5.7, đoạn nầy bị đứt như vậy gần như tải chịu toàn bộ điện áp cao áp, rất nguy hiểm, nên khi vận hành với lưới điện trung tính MBA tự ngẫu phải nối đất nếu không sẽ không an toàn; vì điện áp un nhỏ nên dòng điện In tương đối lớn; MBA tự ngẫu yêu cầu cách điện cao hơn MBA thường. Trên hình 5-6a trình bày MBA hai dây quấn, dây quấn sơ cấp có 80 vòng được nối với nguồn có điện áp 240V và dây quấn thứ cấp có 20 vòng được nối với tải có điện trở 1. Điện áp và dòng điện của dây quấn sơ cấp và thứ cấp như trình bày trên hình 5-6a, còn tỉ số biến áp xác định từ: ~ Tải 15A 60A NA NB=20vg 240V NA=80vg NB 4 20 80 N N N N a B A HA CA  60 4 240 a U U CAHA  V A60 1 60 Z U I t HA HA  A15 4 60 a I I HACA  Trên dây quấn sơ cấp ta lấy một đầu ra với số vòng bằng số vóng dây quấn thứ cấp là 20 vòng như trên hình 5-6b. Trong MBA lý tưởng từ thông móc vòng cảm ứng sđđ trên 20 vòng ở dây quấn B cũng bằng 20 vòng trên đầu dây quấn A. Cực tính, điện áp và dòng điện ở các đầu vào và ra cũng giống MBA hai dây quấn, nếu ta trích một đầu ra là một phần của dây quấn cao áp là 20 vòng bằng dây quấn thứ cấp MBA hai dây quấn, như trình bày trên hình 5-6b. Thử nghiệm trên hình 5-6b cho thấy, dòng điện qua tải là 60A gồm 15A dòng điện truyền dẫn trực tiếp và 45A dòng điện thông qua sự làm việc MBA. Như vậy từ sơ đồ cho thấy, sự truyền tải năng lượng từ sơ cấp qua thứ cấp trong máy tự biến áp tự ngẫu bằng hai con đường: điện và điện từ. Còn ở các máy biến áp thông thường có dây quấn sơ cấp và thứ cấp ~ Tải 15A 45A 80vg 20vg Hình 5-6 Sơ đồ của MBA hai dây quấn (a) nối lại thành MBA tự ngẫu một pha vận hành giảm áp (b) 60A (b) 240V riêng biệt, năng lượng từ sơ cấp truyền qua thứ cấp chỉ bằng điện từ. Vì thế máy tự biến áp có ưu điểm hơn máy biến áp hai dây quấn: với cùng kích thước máy tự biến áp truyền công suất qua nhiều hơn, hiệu suất cao hơn, sụt áp ít hơn vì điện áp ngắn mạch un nhỏ. Tuy nhiên UCA và UHA chênh nhau quá nhiều thì ưu điểm không đáng kể, nên MBA tự ngẫu chỉ được dùng khi tỉ số biến áp nhỏ hơn 3:1. Quan hệ giữa tỉ số vòng và công suất trong MBA tự ngẫu Hình 5.6b trình bày kiểu nối dây của MBA tự ngẫu. Ta thấy công suất truyền tải của MBA tự ngẫu gồm hai thành phần: 1. Truyền qua nhờ từ trường trong lõi thép. 2. Truyền dẫn trực tiếp. Dung lượng thiết kế MBA tự ngẫu là dung lượng truyền dẫn nhờ từ trường: Stkế = E1I1 = E2I2 (5.8) Dung lượng MBA tự ngẫu truyền qua lúc vận hành thực tế : Sttải = UCAICA = UHAIHA (5.9) Tỉ số vòng của MBA tự ngẫu (như MBA hai dây quấn, hình 5-7): 1 2 2 1 2 1 2 1 I I E E U U N N a  (5.10) Tỉ số biến đổi địên áp của lưới điện : CA HA HA CA HA CA I I U U N N 'a  (5.11) Thường tỉ số a’ < 2,5, vì MBA tự ngẫu được sử dụng trong lưới điện có các cấp điện áp gần nhau như 110-220kV; 220-500kV; 330-750kV. Xét tỉ số công suất : 'a 1 1 IU I)UU( IU IE S S CACA CAHACA CACA 11 tt tk    (5.12) Như vậy kiểu MBA tự ngẫu có lợi hơn về công suất trong thiết kế MBA nên được dùng trong thực tế. VÍ DỤ 5-2 Một MBA tự ngẫu một pha vận hành giảm áp, dây quấn cao áp CA có 400 vòng, hạ áp HA bằng 25% số vòng của dây quấn cao áp, cấp điện cho phụ tải có tính cảm 4,8kVA, cos = 0,85 (chậm sau), điện áp vào 2400V, 60Hz. Bỏ qua tổn hao và từ thông tản trong máy, hãy xác định: (a) dòng điện tải; (b) dòng điện vào; (c) dòng điện trong cuộn dây chung; (d) công suất truyền dẫn trực tiếp và công suất thiết kế (truyền dẫn thông qua từ trường trong MBA). Bài giải Sơ đồ trình bày trên hình 5-7. a. Dòng điện tải (HA): Hình 5.7 Sơ đồ của MBA tự ngẫu một pha theo VD 5-2 UCA UHA ICA IHA x a A X E1 I1 E2 I2 U1,N1 U2,N2 4 40025,0 400 N N a HA CA    V600 4 2400 a U U CAHA  A8 600 4800 H S I HA tt HA  b. Dòng điện cao áp CA: A H S I CA tt CA 2 2400 4800  c. Dòng điện cuộn dây chung (thiết kế): A628III CAHA2  d. Công suất: - Công suất truyền dẫn trực tiếp: VA12002600IUS 12td  - Công suất thiết kế: VA36006600IUS 22tk  5.3. MÁY BIẾN ÁP ĐO LƯỜNG 5.3.1. Máy biến điện áp Máy biến điện áp (hình 5.6a) dùng để biến điện áp cao thành điện áp nhỏ để đo lường và điều khiển. Công suất máy biến điện áp 251000VA. Máy biến điện áp có dây quấn sơ nối với lưới điện và dây quấn thứ nối với Vôn mét, cuộn dây áp của Watt kế, cuộn dây của các rơle bảo vệ, hoặc các thiếc bị điều khiển khác (hình 5.6b). Các loại dụng cụ nầy có tổng trở Z rất lớn nên máy biến điện áp xem như làm việc ở chế độ không tải, do đó sai số về trị số nhỏ và bằng : u U1 U’ 2 Hình 5.6 Máy biến điện áp (a) U1 U2 A X a x (b) V W (c) 100 U U N N U %U 1 1 2 1 2   (5.14) Góc u giữa U1 và U’2 (hình 5.6c) cũng nhỏ. Cấp chính xác và sai số của mbđa : Cấp chính xác 0.5 1 3 Sai số U  0.5%  1%  3% Sai số u  20’  40’ K 0 qui định Chú ý : Khi sử dụng mbđa không được nối tắt mạch thứ cấp vì nối tắt mạch thứ cấp tương đương nối tắt mạch sơ cấp nghĩa là gây sự cố ngắn mạch ở lưới điện. 5.3.2. Máy biến dòng điện : Máy biến dòng điện dùng để biến dòng điện lớn thành dòng điện nhỏ để đo lường bằng các dụng cụ đo tiêu chuẩn và điều khiển. Công suất Máy biến dòng điện : 5100VA. Máy biến dòng điện (hình 5.7a) có dây quấn sơ gồm ít vòng dây mắc nối tiếp với mạch cần đo dòng và dây quấn thứ gồm nhiều vòng dây nối với ampe mét, cuộn dây dòng của Watt mét, cuộn dây của các rơle bảo vệ, hoặc các thiếc bị điều khiển khác (hình 5.7b). Các loại dụng cụ nầy có tổng trở Z rất bé nên máy biến dòng điện làm việc ở trạng thái ngắn mạch, khi đó lõi thép máy biến dòng điện không bão hòa và  = (0.81)Wb, do đó sai số đo lường về trị số nhỏ và bằng : i I1 I’2 Hình 5.7 Máy biến dòng điện (a) I1 I2 A W (b) (c) 100 I I N N I %i 1 1 1 2 2   (5.15) Góc i giữa I1 và I’2 (hình 5.7c) cũng nhỏ. Cấp chính xác và sai số của máy biến dòng điện : Cc xác 0.2 0.5 1 3 10 Ssố I  0.2%  0.5%  1%  3% 10% S.số i  10’  40’  80 K qui định Chú ý : Khi sử dụng máy biến dòng điện không được dể dây quấn thứ hở mạch vì như vậy dòng từ hóa I0 = I1 rất lớn và lõi thép bão hòa nghiêm trọng sẽ nóng lên làm cháy dây quấn, hơn nữa từ thông bằng đầu sẽ sinh ra sđđ nhọn đầu ở dây quấn thứ có thể xuất hiện điện áp cao hàng nghìn vôn làm cho dây quấn thứ và người sử dụng không an toàn. 5.4. MÁY BIẾN ÁP HÀN HỒ QUANG Là loại máy biến áp đặc biệt dùng để hàn bằng phương pháp hồ quang điện. Máy được chế tạo có điện kháng tản lớn và cuộn dây thứ cấp nối với điện kháng ngoài K để hạn chế dòng điện hàn. Vì thế đường đặc tính hàn rất dốc, phù hợp với yêu cầu hàn điện (hình 5.8). Cuộn dây sơ cấp nối với nguồn điện, cuộn dây thứ cấp một đầu nối với cuộn điện kháng K rồi nối tới que hàn, còn đầu kia nối với tấm kim loại cần hàn. Máy biến áp làm việc ở chế độ ngắn mạch ngắn hạn dây quấn thứ cấp. Điện áp thứ cấp định mức của máy biến áp hàn thường là 60  80V. Khi dí que hàn vào tấm kim loại, sẽ có dòng điện lớn chạy qua làm nóng chỗ tiếp xúc. Khi nhấc que hàn Khe hở không khí Hình 5.8 Sơ đồ máy biến áp hàn hồ quang U1 K cách tấm kim lọai một khoảng nhỏ, vì cường độ điện trường lớn làm ion hóa chất khí, sinh hồ quang và tỏa nhiệt lượng lớn làm nóng chảy chỗ hàn. Để điều chỉnh dòng điện hàn, có thể thay đổi số vòng dây của dây quấn thứ cấp máy biến áp hàn hoặc thay đổi điện kháng ngoài bằng cách thay đổi khe hở không khí của lõi thép K hoặc sun từ.    CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Đặc điểm về cấu tạo, nguyên lý và công dụng MBA ba dây quấn. 2. Đặc điểm về cấu tạo và công dụng MBA từ ngẫu. 3. So sánh MBA tự ngẫu và MBA hai dây quấn cùng công suất. 4. Sự khác nhau giữa nối thuận và nối ngược khi dùng trong máy biến áp tự ngẫu. Tại sao trong máy biến áp tự ngẫu lại nối thuận? 5. Vẽ mạch điện của MBA tự ngẫu giảm áp nối với tải và trình bày môi liên hệ giữa điện áp và dòng điện trong các dây quấn. 6. Đặc điểm về vận hành máy biến dòng điện. 7. Đặc điểm về vận hành máy biến điện áp.    BÀI TẬP Bài tập 5-1. Một MBA ba pha ba dây quấn nối Yo/Yo/-12-11; 10000/6667/10000 kVA; 121/38,5/11kV; un12% = 15; un13% = 10,5; un23% = 6; unR12% = 1; unR13% = 0,65; un23% = 0,8. Xác định (a) các tham số và vẽ mạch điện thay thế đơn giản MBA. Phía cao áp được nối với nguồn, phía điện áp trung bình có tải 3000kVA và cos2 = 0,8; dây quấn điện áp thấp có tải 6000kVA và cos3 = 0,8. Tính (b) u12% và u13%. Đáp số: a. R1 = 3,29 ; R’2 = 11,35 ; R’3 = 6,23 ; X1 = 87,20 ; X’2 = 161,29 ; X’3 = 66,25 . b. u12% = 5,7 và u13% = 5,22. Bài tập 5-2. Một MBA ba pha hai dây quấn Sđm =3200kVA; 35/6kV; 52,5/307,5A; Y/Y-12; un% = 6,94; unR% = 1,04; pfe = 9,53kW; Pn = 32,5kW. Bây giờ đem nối lại thành MBA tự ngẫu. Trình bày (a) cách nối dây MBA hai dây quấn thành MBA tự ngẫu. Tính (b) công suất toàn phần truyền dẫn trực tiếp và công suất thiết kế MBA; (c) hiệu suất MBA ở tải định mức với cos = 0,8; (d) dòng điện ngắn mạch của MBA tự ngẫu. Đáp số: a. Nối như hình 5-7 b. Stt = 21867 kVA; SCA = 3200 kVA; SHA = 3200 kVA; c.  = 99,76% . d. In = 30188A. Bài tập 5-3. Một MBA tự ngẫu một pha có điện áp 2300/450V, f=60Hz, vận hành giảm áp và cung cấp cho tải có tổng trở 210o . Bỏ qua tổn hao và từ thông tản trong máy, hãy xác định: (a) dòng điện tải; (b) dòng điện vào phía cao áp; (c) dòng điện (biến đổi điện áp) trong cuộn dây chung; (d) công suất toàn phần truyền dẫn trực tiếp và công suất biến đổi (thiết kế) qua MBA. Đáp số: (a) 225A; (b) 44,02A; (c) 180,98A; (d) 81,45kVA, 19,8kVA Bài tập 5-4. Một MBA tự ngẫu một pha vận hành tăng áp có tỉ số biến đổi điện áp a’=4 được nối với nguồn có điện áp 600V. Phía cao áp nối với tải có công suất 100kVA, hệ số công suất 0,8 ( chậm sau). Bỏ qua tổn hao và từ thông tản trong máy, hãy vẽ mạch điện và xác định: (a) điện áp phía thứ cấp; (b) dòng điện tải, (c) dòng điện trong cuộn dây sơ; (d) dòng điện trong cuộn dây sơ cấp. Bài tập 5-5. Một MBA tự ngẫu một pha có tổng số vòng là 600, trong đó dây quấn thứ cấp là 200 vòng. Phía cao áp được nối với nguồn có điện áp 2400V, f = 50Hz. Dây quấn thứ nối với tải có công suất 4,8kVA, hệ số công suất 0,6 ( chậm sau). Bỏ qua tổn hao và từ thông tản trong máy, hãy xác định (a) điện áp phía thứ cấp; (b) dòng điện sơ cấp và thứ cấp; (c) công suất toàn phần truyền dẫn trực tiếp; (d) công suất thiết kế MBA; (d) từ thông cực đại trong lõi thép. Đáp số: (a) 800V; (b) 2A, 6A; (c) 1600VA; (d) 3200VA; (e) 0,015Wb Bài tập 5-6. Một MBA tự ngẫu một pha có công suất 100kVA, 440/240V, 60Hz cung cấp cho tải thuần trở công suất 8kW, 240V và một động cơ 10hp, 240V, 60Hz. Động cơ đang vận hành 90% tải, cos =0,86 chậm sau, hiệu suất 88%. Bỏ qua tổn hao và từ thông tản trong máy, hãy tính (a) công suất toàn phần mà nguồn cung cấp cho MBA; (b) công suất toàn phần truyền dẫn trực tiếp và công suất thiết kế MBA.   