Kỹ thuật điện - Chương 7: Máy biến áp

MÔN HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN CHƯƠNG 7 MÁY BIẾN ÁP 7.1 KHÁI NIỆM CHUNG 1) Công dụng MBA : Để dẫn điện từ các trạm phát điện đến hộ tiêu thụ cần phải có đường dây tải điện. Vấn đề đặt ra là làm sao việc truyền tải điện năng đi xa là kinh tế nhất  nâng cao điện áp trên dây truyền tải đến 35, 110, 220 và 500KV  dùng máy tăng áp ở đầu đường dây (phía các trạm phát điện) và dùng máy hạ áp ở cuối đường dây (hộ tiêu thụ). MBA tăng áp MBA hạ áp Đường dây tải ~ Máy phát điện Hộ tiêu thụ 35,110, 220,500KV3 – 21KV 127- 500V 3 – 6KV 2) Định nghĩa : MBA là thiết bị điện từ tĩnh, làm việc theo nguyên lý cảm ứng cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi điện áp của hệ thống xoay chiều nhưng vẫn giữ nguyên tần số. Đầu vào của MBA nối với nguồn điện: sơ cấp  U1, I1, P1, W1 Đầu ra nối với tải : thứ cấp  U2, I2, P2, W2 Nếu U1 > U2 : MBA hạ áp ; U1 < U2 : MBA tăng áp. 3) Các đại lượng định mức : a) Điện áp định mức : U1đm : điện áp định mức cho dây quấn sơ cấp U2 = U2đm  khi thứ cấp hở mạch và U1= U1đm b) Công suất định mức : Sđm = S2đm = U2đmI2đm  U1đm I1đm 2dm dm 2dm 1dm dm 1dm U S I ; U S I  c) Dòng điện định mức : Đối với MBA 1 pha : Điện áp định mức là điện áp pha. Dòng điện định mức là dòng điện pha. Đối với MBA 3 pha : Điện áp định mức là điện áp dây. Dòng điện định mức là dòng điện dây. 2dm dm 2dm 1dm dm 1dm U3 S I U3 S I   4) Phân loại MBA : a) MBA công suất (MBA điện lực) Dùng để truyền tải và phân phối công suất trong hệ thống điện lực b) MBA tự ngẫu : biến đổi điện áp trong phạm vi không lớn lắm dùng trong phòng thí nghiệm hay để mở máy động cơ AC. c) MBA đo lường : dùng để giảm các điện áp và dòng điện lớn để đưa vào các đồng hồ đo. d) MBA chuyên dùng : mba hàn điện, dùng cho các lò luyện kim, cho các thiết bị chỉnh lưu trong kỹ thuật vô tuyến điện, âm thanh 7.2 CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 1) Lõi thép (mạch từ) : dùng để làm mạch dẫn từ, đồng thời làm khung để quấn dây quấn sơ cấp và thứ cấp. Gồm nhiều lá thép kỹ thuật điện dày 0.35mm sơn cách điện cả hai mặt, ghép lại với nhau. Lõi thép gồm hai bộ phận : trụ là nơi để đặt dây quấn, gông là phần khép kín mạch từ giữa các trụ. 2) Dây quấn (mạch điện) : gồm nhiều vòng dây được lồng vào trụ lõi thép. Giữa các vòng dây có cách điện với nhau và các dây quấn có cách điện với lõi thép. 3) Vỏ máy : gồm hai bộ phận thùng và nắp thùng. a) Thùng MBA bằng thép, có bộ tản nhiệt, chứa dầu MBA dùng để tản nhiệt và tăng cường cách điện. b) Nắp thùng dùng để đặt các chi tiết quan trọng như : sứ ra cách điện, bình giãn dầu, ống bảo hiểm 7.3 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP Xét sơ đồ nguyên lý của mba một pha, hai dây quấn như hình vẽ. Khi mba không tải i2 = 0   do suất từ động i1w1 sinh ra. Dòng i1 lúc này được gọi là dòng điện không tải i0 . Khi mba có tải i2  0  do suất từ động tổng (i1w1 + i2w2) sinh ra. Load ~ u1 u2 i1 i2 Khi đặt điện áp Sin u1 vào dây quấn sơ cấp w1  dòng điện i1  trong lõi thép có từ thông chính  biến thiên theo hàm Sin móc vòng với cả hai dây quấn, cảm ứng các sức điện động e1 , e2 . Hệ số mba : nếu bỏ qua tổn hao dây quấn và từ thông tản ra ngoài không khí. Nếu w2 > w1  U2 > U1 : máy tăng áp. w2 < w1  U2 < U1 : máy hạ áp. Nếu bỏ qua tổn hao trong mba : U2I2  U1I1  2 1 2 1 2 1 w w U U E E k  1 2 2 1 I I U U k                  2 π -ωtsin2E 2 π -ωtsin2Φ4.44fw dt tsinωΦd w dt dΦ we 1 max1 max 111 trong đó E1 = 4.44fw1max Ta có  = max sint Tính toán tương tự ta có : E2 = 4.44fw2max 7.4 CÁC PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ĐIỆN TỪ 1) Các phương trình cân bằng điện : Chọn chiều e1 , e2 phù hợp với chiều từ thông chính , chiều i2 cùng chiều e2 tức phù hợp với chiều  theo quy tắc vặn nút chai. Ngoài từ thông chính  chạy trong lõi thép, một phần rất nhỏ từ thông do các stđ i1w1 và i2w2 sinh ra bị tản ra ngoài khép mạch qua không khí hay dầu mba, gọi là các từ thông tản t 1 , t 2 (chỉ móc vòng riêng rẽ với mỗi dây quấn). 1 t1 1 i Φ L  : điện cảm tản dây quấn sơ cấp. 2 t2 2 i Φ L  : điện cảm tản dây quấn thứ cấp.  I1 I2 t1 t2 e1 e2 Ztu1 u2 a) Phương trình cân bằng điện sơ cấp : 111111111 ZIEIjXIREU   Với X1 = L1 ; Z1 = R1 + jX1 b) Phương trình cân bằng điện thứ cấp : 222222222 ZIEIjXIREU   Với X2 = L2 ; Z2 = R2 + jX2 U1  E1 = 4.44fw1max : không đổi max : const  i0w1 = i1w1 + i2w2         201221110 IIIwIwIwI c) Phương trình cân bằng từ : R1 L1 1 2 u1 i1 e1 i2 R2 L2 1 2 e2 u2 Zt Pt K2 : R2i2 + L2di2 / dt + u2 = e2 Pt K2 : R1i1 + L1di1 / dt - u1 = e1 7.5 SƠ ĐỒ THAY THẾ MÁY BIẾN ÁP Từ mô hình toán (các pt cân bằng điện từ), ta xây dựng mô hình mạch điện để thuận lợi cho việc tính toán, nghiên cứu MBA. Để có thể nối trực tiếp mạch sơ cấp và thứ cấp với nhau thành một mạch điện, ta phải quy đổi dây quấn thứ cấp về dây quấn sơ cấp để chúng có cùng cấp điện áp. Quá trình quy đổi phải đảm bảo không thay đổi các quá trình vật lý và năng lượng xảy ra trong mba như công suất truyền tải, các loại tổn hao hay năng lượng từ trường tích lũy trong mba. 1) Sđđ và điện áp thứ cấp quy đổi E’2 và U’2 : E’2 = E1= E2 w1/w2 = kE2 và U’2 = kU2 2) Dòng điện thứ cấp quy đổi I’2 : Do công suất truyền tải không đổi nên E2I2 = E’2 I’2  I’2 = I2 /k 4) Sơ đồ thay thế MBA :   th0thth01 ZIjXRIE   Xth = Lth : đặc trưng cho từ thông chính  Rth : đặc trưng cho tổn hao sắt từ PFe do dòng Fucô làm nóng lõi thép. 3) Điện trở, điện kháng, tổng trở thứ cấp quy đổi R’2 , X’2 , Z’2 Do tổn hao đồng không đổi R2I22 = R’2 I’22  R’2 = k2 R2 Công suất phản kháng từ trường tản không đổi X2I22 = X’2 I’22  X’22 = k2X2 . Tương tự ta có Z’t2 = k2Zt Xth 1 2 Rth X1 1 2 X'2 1 2 R'2R1 U1 U’2 I’2I1 I0 Z’t E1 = E’2 Sơ đồ thay thế MBA 7.6 CHẾ ĐỘ KHÔNG TẢI CỦA MÁY BIẾN ÁP 1) Sơ đồ thay thế mba khi không tải (thứ cấp hở mạch) : I’2 = 0 I1 = I0 , R1 << Rth , X1 << Xth  R0  Rth ; X0  Xth ; Z0  Zth Rth R1 Xth 1 2 X1 1 2 U1 I1 I0 Ro Xo 1 2 U1đm I0 0.30.1 XR R QP P cos 2 0 2 0 0 2 0 2 0 0 0      Dòng điện không tải: I0  U1đm / z0  2% - 10% I1đm Công suất không tải: P0 = R0I02  RthIth2 = PFe Hệ số công suất không tải: Rất thấp  ảnh hưởng lưới điện. 2) Thí nghiệm không tải MBA : dùng để xác định hệ số biến áp k, tổn hao sắt từ PFe , Xth , Rth , cos0 , I0 . Sơ đồ thí nghiệm không tải như hình vẽ Volt kế V1 chỉ U1 = U1đm Volt kế V2 chỉ U2 = U2đm Ampe kế chỉ I1 = I0 Watt kế chỉ P0 = PFe Ta tính được k = U1đm / U2đm ; zo = U1đm / I0 ; R0 = P0 / I02  Rth th 2 0 2 00 XRzX  0.30.1 IU P XR R cos 01dm 0 2 0 2 0 0 0     A W V1 V2 7.7 SỰ CỐ NGẮN MẠCH CỦA MÁY BIẾN ÁP 1) Sơ đồ thay thế mba khi ngắn mạch thứ cấp : U’2 = 0 R1  R’2 << Rth ; X1  X’2 << Xth  z1 z’2 << zth  I0 << I1 I’2  bỏ qua nhánh từ hoá  Rn  R1 + R’2 ; Xn  X1 + X’2 X'2 1 2 R'2 Rth X1 1 2 R1 Xth 1 2 U1đm U’2 = 0 I1 I’2 I0 X'2 1 2 R'2X1 1 2 R1 I1  I’2 U1đm  Dòng điện ngắn mạch : In = U1đm / zn  (10  25)I1đm : cháy cả hai dây quấn mba và ảnh hưởng đến các tải dùng điện. . Cần tránh tình trạng ngắn mạch khi vận hành máy biến áp 2) Thí nghiệm ngắn mạch MBA : dùng để xác định tổn hao dây quấn PCu1 , PCu2 , X1 , R1 , X2 , R2 . Sơ đồ thí nghiệm ngắn mạch như hình vẽ Volt kế V1 chỉ U1 = Un Ampe kế A1 chỉ I1 = I1đm Ampe kế A2 chỉ I2 = I2đm Watt kế chỉ Pn = Pcu1+ Pcu2 Ta tính được Rn = Pn / (I1đm) 2  R1 R’2  Rn /2 Tổng trở ngắn mạch zn = Un / I1đm   X1 X’2  Xn /2. Hệ số mba k = I2đm / I1đm Điện trở và điện kháng dq thứ cấp R2 = R’2 / k2 ; X2 = X’2 / k2 2 n 2 nn RzX  A1 W V1 A2Un 7.8 CHẾ ĐỘ CÓ TẢI CỦA MÁY BIẾN ÁP Chế độ có tải là khi dây quấn sơ cấp MBA nối với U1đm , dây quấn thứ cấp nối với tải. Hệ số tải : kt = I2 / I2đm  I1 / I1đm . Nếu kt =1 : tải định mức, kt 1 : quá tải. 1) Đặc tính ngoài của MBA : U2 = f(I2) = f’(kt) khi U1 = U1đm và cost = const. 2) Tổn hao và hiệu suất MBA P = Pcu1 + Pcu2 + PFe = Pn + P0 Hiệu suất  = max  Fecu2 2 1 2 PPP P P P η   n 0 t P P k  Trong thực tế sử dụng kt = 0.5  0.7  Tính toán P0 = (0.25 0.49)Pn U20 = U2đm U2 tải C tải L tải R kt I2 O Đặc tính ngoài MBA 7.9 MÁY BIẾN ÁP BA PHA 1) Cấu tạo : Lõi thép mba 3 pha gồm 3 trụ. Ký hiệu dây quấn sơ cấp : AX, BY, CX. Dây quấn thứ cấp : ax, by, cz. 2) Tổ nối dây của mba : được hình thành do sự phối hợp kiểu đấu dq sơ cấp so với dq thứ cấp, cho phép xác định góc lệch pha giữa các sđđ dq sơ cấp và dq thứ cấp. Góc lệch pha này phụ thuộc các yếu tố : chiều quấn dây, cách ký hiệu các đầu dây, kiểu đấu dây quấn Y hay  ở sơ cấp và thứ cấp. Tổ nối dây cũng cho phép xác định tỷ số điện áp dây giữa sơ cấp và thứ cấp. Ký hiệu tổ nối dây : I/I-6 : mba 1 pha, góc lệch pha là 1800 , Y/Y-12 : dq 3 pha sơ cấp nối Y, dq thứ cấp cũng nối Y, góc lệch pha 3600 , Y/  -11 : dq 3 pha sơ cấp nối Y, dq thứ cấp nối  , góc lệch pha 3300 , 2 1 p2 p1 d2 d1 w w U U U U  2 1 p2 p1 d2 d1 w w U3 U3 U U  2 1 p2 p1 d2 d1 w w 3 U U3 U U  MÁY BIẾN ÁP BA PHA 7.10 CÁC MÁY BIẾN ÁP LÀM VIỆC SONG SONG Trong hệ thống điện, các mba thường làm việc song song cho phép nâng cao công suất lưới điện và đảm bảo tính liên tục cung cấp điện khi một máy bị hỏng hóc hoặc phải sửa chữa. Điều kiện để các mba làm việc song song : a) Điện áp định mức sơ cấp và thứ cấp của các mba phải bằng nhau tương ứng : U1I = U1II = U1III = ; U2I = U2II = U2III = b) Các mba phải có cùng tổ nối dây. c) Điện áp ngắn mạch của các mba phải bằng nhau. 7.11. MÁY BIẾN ÁP TỰ NGẪU Có khả năng cung cấp điện áp thứ cấp thay đổi trơn trong phạm vi không lớn lắm, được dùng trong phòng thí nghiệm, trong các thiết bị cần nguồn điện thay đổi và dùng để mở máy ĐC KĐB 3 pha công suất lớn. Về cấu tạo chỉ có một dây quấn, dq thứ cấp là một bộ phận của dq thứ cấp  truyền tải điện năng bằng hai đường : điện và điện từ. U1 W2 W1 Z't U'2 7.12. M¸y biÕn ¸p ®o l­êng C¸c m¸y biÕn ¸p ®o l­êng dïng ®Ó më réng thang ®o c¸c dông cô ®o l­êng a) M¸y biÕn ®iÖn ¸ p . Dïng biÕn ®æi ®iÖn ¸p cao xuèng ®iÖn ¸ p thÊp ®Ó ®o l­êng b»ng c¸c dông cô th«ng th­êng. Nh­ thÕ sè vßng d©y thø cÊp W2 phaûi nhá h¬n sè vßng d©y s¬ cÊp W1. Th«ng th­êng ng­êi ta quy ®Þnh ®iÖn ¸ p thø cÊp U2 ®Þnh møc lµ 100V. Khi m¾c d©y, cuén d©y s¬ cÊp nèi song song víi ®iÖn ¸p lín cÇn ®o, cuén thø cÊp nèi víi v«n mÐt hoÆc c¸c m¹ch ®iÖn ¸ p cña c¸c dông cô kh¸c nh­ cuén d©y ®iÖn ¸p cña o¸t mÐt.v.v. Trong khi lµm viÖc, kh«ng ®­îc ®Ó cho m¸y biÕn ®iÖn ¸ p ng¾n m¹ch thø cÊp. V Ut U2 A X xa b) Máy biến dòng điện . Dùng biến đổi dòng điện lớn xuống dòng điện nhỏ để đo lường và một số mục đích khác. Vỡ dòng điện thứ cấp nhỏ hơn dòng điện sơ cấp nên số vòng dây thứ cấp W2 nhiều hơn số vòng dây sơ cấp. Dòng điện thứ cấp định mức là I2 =5A. Khi mắc dây, cuộn dây sơ cấp đấu nối trực tiếp với dòng điện lớn cần đo; cuộn thứ cấp nối với ampemét hoặc mạch dòng điện của các dụng cụ khác như cuộn dòng điện của oát mét. ẹối với máy biến dòng không được để hở mạch thứ cấp. A I1 I2