May Bien AP Chuong_2_9014

7/21/2019 May Bien AP Chuong_2_9014

http://slidepdf.com/reader/full/may-bien-ap-chuong29014 1/21

ThS Chiêm Tr ọng Hiển

3

Chương 2: MÁY BIẾN ÁP

M ục tiêu:

Hiểu cấu tạo; Nguyên lý làm việc; phương tr ình cân băng áp, sơ đồ thay thế;

đặc tính ngoài; một số thông số kỹ thuật của máy biến áp. Hiểu phương pháp biến đổi điện áp 3 pha và t ổ nối dây của máy biến áp 3 pha.

Hiểu đạc đ iểm cấu tạo, nguyên l ỳ hoạt động của 1 số loại máy biến áp đặcbiệt.

2.1. Khái niệm chung.

2.1.1. Định nghĩa Máy biến áp.

Máy biến áp là loại máy điện tĩnh, dùng để biến đổi điện áp của hệ thống điệnxoay chiều nhưng vẫn giữa nguyên tần số của hệ thống. Máy biến áp có 2 cửa: cửa nối với nguồn điện gọi là sơ cấp của máy biến áp;

cửa nối với tải gọi là thứ cấp của máy biến áp.Các đại lượng, thông số sơ cấp trong ký hiệu có ghi chỉ số 1: số vòng dây

cuộn dây sơ cấp W1, điện áp sơ cấp: U1, dòng điện sơ cấp: I1, công suất ở sơ cấp: S1,P1; Các đại lượng, thông số thứ cấp trong ký hiệu có ghi chỉ số 2: số vòng dây cuộndây thứ cấp: W2, điện áp thứ cấp:U2, dòng điện thứ cấp: I2, công suấtở thứ cấp: S2, P2.

Trong sơ đồ điện máy biến ápđược ký hiệu như hình 2.1. Máy biến áp có vai tr ò quan tr ọngtrong hệ thống điện. Có 2 dạng máy biếnáp chính: Máy biến áp điện lực được dùng trong hệ thống truyền tải và phân phốiđiện năng, làm nhiệm vụ: nâng điện áp đầu ra máy phát điện (thường từ 6, 3 đến 38,5KV ) lên mức điện áp của đường dây truyền tải (thường là 35, 110, 220 và 500KV)và hạ điện áp đường dây xuống mức điện áp cung cầp cho các tải (thường có cácmức 3kV hoặc 6kV và 110V đến 500V); Máy biến áp chuyên dùng được dùngtrong các thiết bị: xe điện, lò điện, hàn điện, đo lường v.v…2.1.2. Các lượng định mức của máy biến áp.

Các lượng định mức của máy biến áp là các thông số kỹ thuật của máy do nhàsản xuất máy qui định. Điện áp định mức sơ cấp, Ký hiệu là U1đm, là điện áp qui định cho cuộn dây sơ

cấp. Điện áp định mức thứ cấp, Ký hiệu là U2đm, là điện áp giữa các cực của cuộnthứ cấp khi thứ cấp hở mạch và điện áp đặt vào sơ cấp là định mức.

Theo qui ước, với máy biến áp 1 pha, điện áp định mức là điện áp pha; Vớimáy biến áp 3 pha điện áp định mức là điện áp dây.

Đơnvị của điện áp ghi tr ên máy biến áp thường là kV. Dòng điện định mức: Là dòng điện qui định cho mỗi cuộn dây của máy biếnáp ứng với công suất định mức và điện áp định mức.

Hình 2.1




4

Theo qui ước, với máy biến áp 1 pha, dòng điện định mức là dòng điện pha;Với máy biến áp 3 pha dòng điện định mức là dòng điện dây.

Dòng điện định mức sơ cấp, ký hiệu là I1đm, dòng điện định mức thứ cấp, kýhiệu là I2đm

Đơn vị dòng điện ghi tr ên máy biến áp thường là A Công suất định mức, ký hiệu Sđm (đơn vị đo kVA), Là công suất biểu kiến đưara ở cuộn dây thứ cấp máy biến áp khi điện áp, dòng điện máy biến áp ở định mức.

Đối với máy biến áp 1 pha, công suất định mức là:Sđm=U2đmI2đm ≈ U1đmI1đm (2.1)

Đối với máy biến áp 3 pha, công suất định mức là:Sđm=√3 U2đmI2đm ≈ √3 U1đmI1đm (2.2)

Ngoài ra trên nhãn máy biến áp còn ghi tần số, số pha, sơ đồ nối dây và tổ nốidây, điện áp ngắn mạch, chế độ làm việc…của máy.2.2. Cấu tạo của máy biến áp.

Máy biến áp có các bộ phận chính sau: Lõi thép, dây quấn và vỏ máy.2.2.1. Lõi thép.

Lõi thép máy biến áp dùng để dẫn từ thông chính của máy. Để giảm dòng điệnxoáy trong lõi thép, người ta ghép lõi thèp bằng các là thép k ỹ thuật điện.

Phần lõi thép có lồng cuộn dây gọi là tr ụ của lõi thép; Phần lõi thép nối cáctr ụ với nhau thành mạch từ khépkín gọi là gông của lõi thép. Tiết điệncủa gông có dạng hinh chữ nhật; Tiệtdiện của trụ, đối với máy biến áp côngsuất nhỏ thì có dạng hình chữ nhật; đốivới máy biến áp công suất lớn thì códạng hình bậc thang như hình 2.1.

Gông và tr ụ có thể ghép với nhautheo phương pháp ghép nối hay ghép xenk ẽ. Ghép nối thì tr ụ và gông ghép riêng,sau đó dùng xà ép và bu lông vít chặt lại.như hình 2.2a. Ghép xen k ẽ thì toàn bộ lõi thép phải ghép đồng thời, các lá thépđược xếp xen kẽ nhau theo thứ tự a, b như mô tả ở hình 2.2b.

Để an toàn lõi thép được nối với vỏ và vỏ phải được nối đất.

2.2.2. Dây quấn máy biến ápDây quấn máy biến

áp thường được chế tạo

Hình 2.1: Tiết diệntr ụ l õi thép

Hình 2.2a: ghép nối Hình 2.2b: ghép xen k ẽ lõi thép biến áp.

(a) (b)




5

bằng dây đồng hoặc nhôm,có tiết diện tr òn hoặc chữnhật, mặt ngoài dây có bọclớp cách điện.

Mỗi cuộn dây củamáy biến áp gồm 1 sốvòng dây quấn thành 1số lớp chồng lên nhau.Giữa các lớp dây của 1cuộn dây; Giữa các cuộndây vớ i nhau và giữa cuộndây với lõi thép đều có lớpcách điện.

Một pha của máy biếnáp thường có 2 cuộn dây,cuộn dây nối vào điện ápcao gọi là cuộn cao áp,cuộn dây nối vào điệnáp thấp gọi là cuộn hạáp. Khi cuọn cao áp vàcuộn hạ áp cùng quấntrên 1 tr ụ trong kiểu dâyquân đồng tâm, thì cuộnhạ áp được quấn sát trụ,còn cuộn cao áp quấnngoài cuộn hạ áp nhưhình 2.3. Làm như vậy sẽ

giảm được vật liệu cách điện.

Ngoài kiểu quấn dây đông tâm còn có kiểu quân dây xen kẽ, như biểu diễn trên hình2.4 Trong kiểu quấn nay, mỗi cuộn dây CA và HA gồm một số bánh dây đặt xen kẽnhau.

2.2.3. Vỏ máy biến áp.Vỏ máy biến áp gồm 2 phần: Thùng và nắp thùng.

Thùng máy biến áp.Thùng dùng để chứa máy biến áp và chứa dầu. Dầu máy biến áp dùng để tản

nhiệt cho máy và tăng cường cách điện.Thùng máy làm bằng thép. Các máy công suất nhỏ (≤ 30KVA), thùng có vỏ

trơn; Các máy công suất vừa và lớn, để tăng khả năng toả nhiệt, vỏ thùng được làmtheo kiểu dập sóng hoặc được gắn các ống tản nhiệt hay bộ tản nhiệt (HÌnh 2.5).

Lõi thép

cuộn dây hạ áp

cuộn dây cao áp

Các lớpcách điện

Hình 2.3: dây quấn đồng tâm

Tr ụ của lõi

CuộnHA Cuộn

CA

Hình 2.4: dây quân xen k ẽ




6

N ắp thùng. Nắp thừng dùng để đậy kín thùng và lắp các chi tiết như:

Tr ụ sứ của các đầu dây cao áp và hạ áp (có nhiệm vụ cách điện giữa cácđầu dây ra với vỏ máy ). Bình giãn dầu: là 1 thùng hình tr ụ bằng thép, đặt tr ên nắp và nối thông với

thùng máy biến áp bằng 1 ống. Ở 1 đầu của bình có gắn 1 ống chỉ mức dầu dùng đểtheo dõi mức dầu bên trong. Bình giãn dầu tạo không gian cho dầu trong thùng máy

biến áp giãn nở tự do, đảm bảo cho áp suất dầu không tăng và thùng luôn đầy dầu. Ống bảo hiểm: thường có dạng hình tr ụ, đặt nghiêng, một đầu thông với

thùng máy biến áp, một đầu bịt kín bằng 1 đĩa thuỷ tinh. Khi áp suất trong thùngmáy biến áp đột ngột tăng lên quá lớn, đĩa thuỷ tinh sẽ vỡ để dầu dầu thoát ra ngoài,máy biến áp sẽ không bị hư.

Bộ phận tuyền động của cầu dao đổi nối các đầu điều chỉnh điện áp của dây

quấn cao áp.2.3. Nguyên lý làm việc của máy biến áp 1 pha.Hình 2.6 là sơ đồ nguyên lý của máy biến áp 1 pha có 2 cuộn dây: cuộn sơ cấp

có W1 vòng; cuộn thú cấp có W2 vòng.Khi ta nối cuộn sơ cấp

W1 vào nguồn điện xoay chiềucó điện áp u1, tần số f, trongcuộn W1 sẽ có dòng điện i1.Dòng điện i1 sinh ra từ thông biến thiên chảy kín trong lõithép xuyên qua cả 2 cuộn dâyW1, W2 và được gọi là từ thôngchính.

Theo định luật cảm ứng điệntừ, từ thông biến thiên sẽ làm cảm ứng trong cuộn dây sơ cấp sức điện động:

dt

d W e

11 (2.3)

W2

W1 Zt

i1

u2

i2

u1

Hình 2.6

t2

t1

V ỏ thùng d ập sóng

Hình 2.5

V ỏ thùng có ống tản nhiệt




7

và trong cuộn dây sơ cấp sức điện động:

Khi máy biến áp không tải (cuộn thứ cấp hở mạch), dòng điện thứ cấp i2=0, từthông chính chỉ do dòng điện sơ cấp i1 sinh ra. Khi máy biến áp có tải, cuộn thứ cấpcủa máy được nối với tải có trở kháng Z t, sức điện động e2 sẽ tạo ra dòng điện thứcấp i2 chảy qua tải và cuộn W2. cuộn W2 cũng sinh ra từ thông chảy trong lõi thépvà từ thông chính lúc này do đồng thời 2 dòng điện i1 và i2 sinh ra.

Điện áp u1 là hình sin, nên từ thông cũng biến thiên hinh sin:=msint. Thế vào (2.3), (2.4) ta có:

2

sin22

sin244,4sin 11111

t E t fW t

dt

d W

dt

d W e mm

2

sin22

sin244,4sin 22222

t E t fW t

dt

d W

dt

d W e mm

Trong đó:

E1, E2 là tr ị hiệu dụng của sức điện động cuộn dây sơ cấp và thứ cấp máy biến áp.Biểu thức của e1, e2 cho thấy các sức điện động này có cùng tần số () nhưng khácnhau về trị hiệu dụng.

Tỷ số:

K gọi là hệ số biến áp.

Nếu bỏ qua điện trở dây quấn và từ thông tản ra ngoài lõi thép, sẽ có các quanhệ gần đúng: U1 ≈E1; U2 ≈E2 và có:

Ngh ĩa là tỷ số điện áp giữa sơ cấp và thứ cấp biến áp gần đúng bằng tỷ số vòng dâycủa 2 cuộn.

Nếu bỏ qua tổn hao trong máy biến áp, sẽ có quan hệ gần đúng:U1I1 ≈U2I2

Hay:

Như vậy, trong máy biến áp, giữa cuộn dây sơ cấp và thứ cấp không có sự liênhệ trực tiếp về điện, năng lượng được truyền từ sơ cấp sang thứ cấp nhờ từ thôngchính trong lõi thép.

2.4. Phương tr ình cân bằng điện và từ của máy biến áp.Để viết hệ phương tr ình, ta chọn chiều dòng điện, điện áp ở sơ cấp và thứ cấp

biến áp như hình 2.5. Theo qui tắc vặn nút chai, chiều từ thông phù hợp với chiều

dt

d W e

22 (2.4)

E1=4,44fW1m

E2=4,44fW2m(2.5)

K W

W

E

E

2

1

2

1 (2.6)

K W

W

E

E

U

U

2

1

2

1

2

1 (2.7)

K I

I

U

U

1

2

2

1 (2.8)




8

i1, chiều e1, e2 phù hợp với chiều . Chiều i2 được chọn ngược chiều e2, do đó chiềutừ thông do i2 sinh ra ngược chiều .

Trong máy biến áp, ngoài từ thông chính chảy trong lõi thép còn có các từthông tản của các cuộn dây, định nghĩa như sau: Từ thông tản móc vòng cuộn dây sơ cấp, ký hiệu t1, là từ thông do cuộn sơ

cấp (W1 ) sinh ra và chỉ móc vòng riêng cuộn sơ cấp. Từ thông tản móc vòng cuộn dây thứ cấp, ký hiệu t2, là từ thông do cuộn thứcấp (W2 ) sinh ra và chỉ móc vòng riêng cuộn thứ cấp.

Đường đi của từ thông tản có nhưng đoạn ở ngoài lõi thép, có từ trở lớn, nêntừ thông tản r ất nhỏ so với từ thông chính.

Từ thông tản sơ cấp t1 sinh ra trong cuộn W1 sức điện động cảm ứng et1:

trong đó: gọi là điện cảm tản sơ cấp.

Từ thông tản thứ cấp t2 sinh ra trong cuộn W2 sức điện động cảm ứng et2:

trong đó: gọi là điện cảm tản thứ cấp.

2.4.1. Phương tr ình cân bằng điệnsơ cấp.Trong mạch vòng sơ cấp có các điện áp và sức điện động: điện áp u1, điện áp

trên điện trở dây quấn sơ cấp (r 1) là r 1i1, sức điện động do từ thông chính sinh ra e1,

sức điện động do từ thông tản sơ cấp sinh ra

dt

di Let

111 . Phương tr ình theo luật

Kirchhoff 2 (K2) viết cho mạch vòng sơ cấp là:r 1i1 - u1 = e1 + et1 = e1 - L1di1/dt

hay:

11

1111 edt

di Lir u

Viết dưới dạng số phức:

1

.

1

.

11

.

1

.

11

.

11

.

E I Z E I jX I r U (2.11)trong đó X1=Lt1 là điện cảm tản dây quấn sơ cấp. Z1=r 1+jX1 gọi là tổng trở dây quấn sơ cấp.

2.4.2. Phương tr ình cân bằng điện thứ cấp.Tương tự mạch sơ cấp, phương tr ình theo luật K2 cho mạch vòng thứ cấp là:r 2i2+u2=- e2+et2=- e2-L2di2/dt

hay: K

22

2222 edt

di Lir u

Viết dưới dạng số phức:

dt

di L

dt

d e t

t 1

11

1 (2.9)

1

11

i L t

dt

di L

dt

d e t

t 2

22

2 (2.10)

2

22

i L t




9

2

.

2

.

22

.

2

.

22

.

22

.

E I Z E I jX I r U (2.12)trong đó: X2=Lt2 là điện cảm tản dây quấn thứ cấp,

Z2=r 2+jX2 gọi là tổng trở dây quấn thứ cấp.và điện áp thứ cấp u2 chính là điện áp tr ên tải:

2

.

2

.

I Z U t

(2.13)

2.4.3. Phương tr ình cân bằng từ.Vì điện kháng tản X1 và điện trở dây quấn sơ cấp r 1 r ất nhỏ, nên điện áp tr ên

các phần tử đó ( 1

.

11

.

, I jX I r ) cũng rất nhỏ so với 1

.

E , do đó từ phương trình (2.11)có quan hệ gần đứng:

U1 ≈ E1

Vì điện áp đặt vào sơ cấp biến áp U1 không đổi, nên sức điện động E1 cũngkhông đổi. Từ (2.5) suy ra biến độ từ thông chính m không đổi.

Ở chế độ không tải, từ thông chính do sức từ đông của cuộn dây sơ cấp W1i1

sinh ra. Khi có tải, từ thông chính do tổng đại số các sức từ động của cuộn sơ cấp và

thứ cấp (W1i1-W2i2) sinh ra. Sức từ động thứ cấp W2i2 lấy dấu âm (-) là do chiều i2không phù hợp với chiều theo qui tắc vặn nút chai.

Vì m không đổi nên sức từ động lúc không tải bằng sức từ động lúc có tải,tức là:

qW1i0=W1i1-W2i2 (2.14)trong đó i0 là dòng điện sơ cấp khi không tải và được gọi là dòng điện không tảihoặc dòng điện từ hoá của máy biến áp. (2.14) gọi là phương trình cân bằng từ củamáy biến áp. Chia cả 2 vế của (2.14) cho W1 và thay:

K W

W

2

1 ; K

ii 2/2

được:i1=I0+i/

2 (2.15)

trong đó: K

ii 2/2 gọi là dòng điện thứ cấp qui đổi về sơ cấp.

Phương tr ìh cân bằng từ dưới dạng phức:/

2

.

0

.

1

.

I I I (2.16)

2.5. Sơ đồ thay thế của máy biến áp.Để thuận lợi cho việc phân tích, nghiên cứu máy biến áp, ta tìm cách thay thế

máy biến áp bằng 1 sơ đồ mạch có quá tr ình năng lượng tương đương với máy biến

áp, tức là hệ phưong tr ình mạch hoàn toàn đồng nhất với hệ phương tr ình của máy biến áp.

Nhân 2 vế của (2.12) với K và thay/

2

.

2

.

. I K I ; 1

.

2

.

E E K được:

1

./

2

.

22

/

2

.

22

2

.

E I X jK I r K U K (2.12a)Đặt:

r /2=K 2r 2, r /2 gọi là điện trở dây quấn thứ cấp qui đổi về mạchsơ cấp




10

X/2=K 2X2, X/

2 gọi là điện kháng tản dây quấn thứ cấp qui đổi vềmạch sơ cấp

r /2+jX/2=K 2(r 2+jX2)=K 2Z2=Z/

2,Z/

2 gọi là tr ở kháng dây quấn thứ cấp qui đổi về sơ cấp.Z/

t=K 2Zt, Z/t gọi là tr ỏ kháng tải qui đổi về mạch sơ cấp

/

2

.

2

.

U U k ,

/

2

.

U gọi là điện áp thứ cấp qui đổi về sơ cấp.

/

2

./

/

2

.2

2

.

2

./

2

.

I Z I Z K I KZ U K U t t t

và thế vào (2.12a) được:

1

./

2

./2

/

2

./

2

/

2

.

E I jX I r U (2.17)

Xét số hạng (.

1 E ), trong đó.

1 E là sức điện động do từ thông chính gây ra

trong cuộn dây sơ cấp. Mà từ thông chính lại do dòng.

0 I sinh ra, do đó (-.

1 E ) có

thể coi là điện áp tr ên 1 nhánh (r m+jXm) có dòng.

0 I chảy qua gọi là nhánh từ hoá:

0

..

1 I jX r E mm (2.18)trong đó: r m gọi là điện tr ở từ hoá đặc trưng cho tổn hao sắt từ (Pst)

Pst=r m(I0)2

Xm gọi là điện kháng từ hoá đặc trưng cho từ thông chính Thay (2.18) vào (2.11), (2.17) và k ết hợp với (2.15) ta có hệ phương tr ình:

0

.

1

.

11

.

11

.

I jX r I jX I r U mm

0

./

2

./2

/

2

./

2

/

2

.

I jX r I jX I r U mm (2.19)

/

2

.

0

.

1

.

I I I

Hệ phương tr ình (2.19) là hệ phương tr ình viết theo luật K1 và K2 cho sơ đồmạch hình 2.7a. Sơ đồ đó gọi là sơ đồ thay thế của máy biến áp.

Thông thường tổng trở nhánh từ hoá rất lớn hơn tổng trở mạch thứ cấp qui đổivề sơ cấp: r m+jXm=ZmZ/2+Z/

t; dòng điện từ hoá rất nhỏ hơn dòng điện thứ cấpqui đổi về sơ cấp: i0i/2 do đó có thể bỏ nhánh từ hoá, ta có sơ đồ thay thế gầnđúng (đơn giản) hình 2.7b.

Sơ đồ thay thế đơn giản thường đựơc dùng trong tính toán đơn giản các đặctính của máy biến áp.

Z t

r 1 X1

r m

Xm

r /2 X/

2

0

.

I /

2

.

U

/

2

.

I 1

.

I

1

.

U

Hình 2.7a

Z/t

r 1 X1 r 2 X 2

/

2

.

U

1

./

2

.

I I

1

.

I

1

.

U

Hình 2.7b




11

2.6. Xác định tham số máy biến áp bằng thí nghiệm máy biến áp .

Các tham số máy biến áp có thể xác định bằng thí nghiệm hoặc bằng tính toán.dưới đây tr ình bày cách xác định bằng thí nghiệm.2.6.1. Thí nghiệm không tải.

Sơ đồ thí nghiệm như hình 2.8a.

Điện áp đặt vào sơ cấp U1=U1đm, thứ cấp để hở mạch. Nhờ von mét V, ampemét A, oát mét W sẽ đo được điện áp sơ cấp U1, điện áp thứ cấp U2o, dòng điện Io

và công suất Po lúc không tải.

Từ số liệu thí nghiệm, tính được:

Tổng trở không tải: (2.20a)

Điện trở không tải: (2.20b)

Điện kháng không tải: (2.20c)

Hệ số công suất không tải: (2.20d)

Hệ số biến áp: (2.20e)

Tr ở kháng không tải(z0) thường rất lớn; Dòng điện không tải thường rất nhỏ(khoảng 0, 03Iđm đến 0, 1I1đm); Hệ số công suất không tải cũng rất nhỏ (cos0=0, 1đến 0, 3). Do cos0 nhỏ nên trong sử dụng không nên để máy ở chế độ không tải.

Sơ đồ thay thế máy biến áp ở chế độ không tải như hình 2.8b, dựa vào sơ đồnày có thể tính các thông số r m, Xm của nhánh từ hoá. Theo sơ đồ, có:r 0=r 1+r m; X0=x1+X0

Vì từ thông chính rất lớn hơn từ thông tản nên Xm>>X1, vậy có:Xm≈X0 (2.21a)

Vì điện trở dây quấn sơ cấp (r 1) r ất nhỏ mà dòng I0 cũng rất nhỏ nên có thể coitổn hao không tải sấp sỉ bằng tổn hao sắt từ:

P0≈Ps=r mI20 => r m≈P0/I

20=r 0

0

10

I

U z

20

00

I

P r

20

200 r z X

01

00cos

I U

P

20

1

2

1

U

U

W

W K

U2oIo

U1

Po

A W

VXm

Io r 1X1

r m

U1

Hình 2.8a Hình 2.8b

V




12

r m=r 0 (2.21b)

2.6.2. Thí nghiệm ngắn mạch.Sơ đồ thí nghiệm như hình 2.9a.

Cuộn thú cấp được nối ngắn mạch. Điện áp Un đặt vào sơ cấp được lựa chọnsao cho dòng điện sơ cấp lúc này là In=I1đm

Từ số liệu thí nghiệm tính được:

Tổng trở ngắn mạch: (2.22a)

Tổng trở ngắn mạch thường có giá trị rất nhỏ.

Điện trở ngắn mạch:2n

nn

I

P r (2.22b)

Điện kháng ngắn mạch: 22nnn r z X (2.22c)

Hệ số công suất ngắn mạch:nn

nn

I U P cos (2.22b)

Trong thí nghiệm ngắn mạch, điện áp đặt vào sơ cấp biến áp Un r ất nhỏ nên từthông chính của máy rất nhỏ, tức là dòng từ hoá rất nhỏ so với dòng In, do đó mạchđiện thay thế trong thí nghiệm ngắn mạch có thể xem như hở mạch nhánh từ hoá vàcó dạng như hình 2.9b. Theo đó ta có:

r n=r 1+r /2, Xn=X1+X'2 (2.23)

Trong máy biến áp thường có quan hệ gần đúng: r 1≈r '2; X1X'2 do đó ta có:

21nr

r ,22 2 K

r r n ,

21n X

X ,22 2 K

X X n (2.24.)

Điện áp ngắn mạch Un gồm 2 thành phần: Thành phần tác dụng Unr là điện áp rơi trên điện trở:

Unr =r nIn (2.25) Thành phần phản kháng UnX là điện áp rơi trên điện kháng:

UnX=XnIn (2.26)

n

nn

I

U z

In

U1

Pn

A W

V/2 X

In

r 1X1

/2r

Un

Hình 2.9a Hình 2.9b




13

Đồ thị véc tơ điện áp của máy biến áp trongthí nghiệm ngắn mạch như hình 2.10. Theo đóta có:

Unr =Uncosn (2.27)UnX=Unsinn (2.28)

n là góc lệch pha giữa un và inĐiện áp ngắn mạch là đại lượng đặc trưngcho điện trở và điện kháng tản của dây quấnmáy biến áp. Trong máy biến áp điện lực, điệnáp ngắn mạch được ghi tr ên nhãn của máy vàthường được biểu diễn bằng tỷ lệ phần trăm sovới điện áp định mức.

100.100.00

1

1

1 dm

dmn

dm

nn

U

I z

U

U U (2.29)

100.100.00

1

1

1 dm

dmn

dm

nr nr

U

I r

U

U U (2.30)

100.100.00

1

1

1 dm

dmn

dm

nX nX

U

I X

U

U U (2.31)

Máy biến áp điện lực thường có Un0/0 trong khoảng 5, 5 đến 1, 5 (Máy có điện áp

cao thì Un0/0 lớn và ngược lại).

Có thể tính được dòng điện ngắn mạch khi máy biến áp làn việc với điện ápđịnh mức Insc (dòng điện ngắn mạch sự cố ) theo I1đm và Un

0/0 như sau:

100.

00

1

m

dmnsc

U

I I (2.29)

2.7. Chế độ làm việc có tải của máy biến áp.Chế độ làm việc có tải của máy biến áp là chế độ: sơ cấp đựoc nối vào điện ápđịnh mức; thư cấp được nối với tải.

Để đánh giá mức độ tải, người ta định nghỉa hệ số tải K t:

dmdm

t I

I

I

I K

1

1

2

2 (2.30)

K t=1: Tải định mức; K t < 1: non tải; K t > 1: qua tải.Dưới dây, dựa vào sơ đồ thay thế của máy biến áp để xét một số đặc tính làm

việc của máy.2.7.1. Độ biến thiên điện áp thứ cấp theo tải.

Độ biến thiên điện áp thứ cấp theo tải.Khi điện áp sơ cấp định mức, nếu tải thay đổi điện áp thứ cấp củng thay đổitheo. Lượng:

U2=U2đm-U2 (2.31)gọi là độ biến thiên điện áp thứ cấp theo tải. Người ta còn dùng khái niện Độ biếnthiên điện áp thứ cấp phần trăm: U2

0/0, định nghĩa như sau:

100.2

20

02

dmU

U U

(2.32)

n

n I .

nU

.

nr U .

nX U .

Hình 2.10




14

Để biểu diễn U20/0 theo điện áp của sơ đồ thay thế qui về sơ cấp, ta nhân cả tử và

mẫu của (2.32) với hệ số biến áp K, được:

100.100..

100..

.

1

'21

2

22

2

20

02

dm

dm

dm

dm

dm U

U U

KU

KU U K

U K

U K U

(2.33)

Để khảo sát sự biến thiên của U20/0 theo tải, ta tìm cách biểu diễn U2

0/0 theohệ số tải K t. Đồ thị véc tơ dòng điện, điện áp của máy biến áp khi mang tải (vẽ theosơ đồ thay thế đơn giản) như hình 2.11. Trong đó: t là góc của tổng trở tải.

Để tính U2 ta chiếu 1.

U lên/2

.U . Vì znI1 << U/

2 nên góc giữa 1.

U và/2

.U nhỏ, do

đó có thể coi:OC OBU dm 1

U1đm-U/2≈AC=AB.cos(n-t)=AB.cosncost+AB.sinnsint

=I1zncosncost+I1znsinnsint

100.sinsincoscos

1

110

02

dm

t nnt nn

U

I z I z U

100.sinsincoscos

1

11

dm

t ndmt ndmt

U I I K

Vẽ quan hệ (2.34) ứng với các loại tải khác nhau trong điều kiện t=const ta đượcđồ thị như hình 2.12a. Đặc tính ngoài của máy biến áp.

Đường biểu diễn quan hệ: U2=f(I2) khi U1=U1dm và t=const gọi là đường đặc

tính ngoài của máy biến áp. Để thiết lập đặc tính ngoài ta tính:

1001

1001 0

02

200

02

2222

U U

U U U U U dmdm (2.35)

Từ (2.35) và hình 2.11a ta vẽ được đặc tính ngoài ứng với các loại tải khác nhaunhư hinh 2.11b.

t C

1

.

I jX n

1

.

I Z n

1

.

I r n

n

B

A0

1

.

U

/

2

.

1

.

I I

/

2

.

U

Hình 2.11

(2.34) t nX t nr t U U K U sincos 00

00

00

2




15

Muốn giữa U2 không đổi khi tải thay đổi cần phải thay đổi tỷ số biến áp

2

1

W

W K .

Người ta thường thay đổik bằng cách thay đổi số vòngcủa cuộn dây CA (là cuộn dâycó dòng điện nhỏ).

Các đầu điều chỉnh điệnáp có thể lấy ở giữa cuộn dâynhư hình 2.13. hoặc lấy ở đầucuộn dây.

Phạm vi điều chỉnh khoảng±50/0Uđm

2.7.2. Tổn hao và hiệu suất máy biến áp.Khi máy biến áp làm việc có các tổn hao sau:

Tổn hao trên điện trở dây quấn sơ cấp và thứ cấp gọi là tổn hao đồng Pđ: Pđ=r 1I

21+r 2I

22=I2

1(r 1+r /2)=I21r n=K 2t I

21đmr n=K 2tPn (2.36)

Tổn hao trong lõi thép do dòng điện xoáy và do từ trễ gây ra gọi là tổn hao sắttừ Pst.Tổn hao sắt từ không phụ thuộc vào dòng điện tải mà phụ thuộc từ thôngchình, cũng tức là phụ thuộc điện áp. Tổn hao sắt từ bằng công suất lúc không tải:

Pst=P0 (2.37)Hiệu suất máy biến áp được định nghĩa là:

P2 là công suất ra tải. Ta có: P2=S2 cost=K tSđmcost.(2.38) cho thấy hiệu suất thay đổitheo tải, nếu t=const, hiệu suấtđạt cực đại khi:

cost=0,7

cost=1

1 Kt

t>0

t<0

cost=0,7

0,5

U20/0

4321

0-1-2

Hình 2.12a: U20/0=f(Kt)

1

U2

L

R

C

U20

0I2

Hình 2.12b: U2=f(I2)

nt t dmt

t dmt

st d P K P S K

S K

P P P

P

202

2

cos

cos

(2.38)

0

t K

(2.39)

135

642

A

X

1

5

62

3

4

Hình 2.13




16

Thay (2.38) vào (2.39), tính được:K 2t Pn=P0

Vậy hiệu suất đạt cực đại khi tổn haođồng bằng tổn hao sắt từ.

Hệ số tải khi hiệu suất cực đại là:

n

t P

P K 0 (2.40)

Máy biến áp điện lực thường được thiết kế để hiệu suất đạt cực đại ở K t=0,5 đến0,7.

Hiệu suất máy biến áp thay đổi theo công suất máy và có giá tr ị lớn. Máy biếnáp công suất lớn hiệu suất có thể đạt tới 990/0.

2.8. Biến đổi điện áp 3 pha.Để biến đổi điện áp 3 pha, ta có thể dùng 3 máy biến áp 1 pha nối với nhau tạo

thành tổ máy biến áp 3 pha, hoặc dùng 1 máy biến áp 3 pha.

2.8.1.Máy biến áp 3 pha.

Hình 2.15 là sơ đồ nguyên lýmột máy biến áp 3 pha kiểu trụ.

Lõi thèp có 3 tr ụ, tr ên mỗi trụquấn cuộn dây sơ cấp và thứ cấpcủa 1 pha. Người ta qui ước cácđầu dây sơ cấp ký hiệu bằng cácchữ in hoa, các đầu dây thứ cấpký hiệu bằng chữ in thường.

Pha Đầu dây sơ cấp Đầu dây thứ cấp A A, X a, x B B, Y b, y

C C, Z c, z Nguyên lý làm việc của máy biến áp 3 pha tương tự như máy biến áp 1 pha. Gọisố vòng của cuộn dây sơ cấp và thứ cấp của 1 pha thứ tự là W1 và W2, tỷ số điện áp

pha sơ cấp và thứ cấp sẽ là:

max

n P P 0K t

Hình 2.14. sự phụ thuộc hiệu suất theo tải

b y

YB

c z

ZC

a x

X A

Hình 2.15

1

1

2

1

W

W

U

U

p

p (2.41)




17

Tỷ số điện áp dây sơ cấp và thứ cấp không chỉ phụ thuộc vào W1, W2

mà còn phụ thuộc vào cách nối dây ở sơ cấp và thứ cấp.

2.8.2. Nối dây máy biến áp 3 pha.

Các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp 3 pha hoặc tổ máy biến áp 3 pha có thể nối với nhau theo hình sao hay tam giác. cách nối ở sơ cấp và thứ cấp

không phụ thuộc lẫn nhau.Hình 2.16 là sơ đồ một vài cách nối và ký hiệu tương ứng.

Tỷ số điện áp dây sơ cấp và thứ cấp (Hệ số biến áp) của các sơ đồ là: sơ đồ Y/Y

sơ đồ /

sơ đồ /Y

2.8.3. Tổ nối dây máy biến áp 3 pha.

Tổ nối dây máy biến áp 3 pha là ký hiệu chỉ r õ cách nối dây của máy biến áp vàgóc lệch pha giữa điện áp dây sơ cấp và thứ cấp. Góc lệch pha giữa điện áp dây sơ cấp và thứ cấp luôn là bội số của của 300 vớihệ số nhân là các số nguyên từ 1 đến 12. Trong ký hiệu tổ nối dây, để gọn, người taqui ước không ghi góc lệch mà chỉ ghi hệ số nhân ứng với góc lệch.

Ví dụ: Tổ nối dây Y/-11 chỉ rằng: dây quấn sơ cấp nối sao, dây quấn thứ cấpnối tam giác, góc lệch pha giữa điện áp dây sơ cấp và thứ cấp là 11*300=3300. Sơđồ nối dây và đồ thị véc tơ điện áp của tổ nối dây này như hình 2.17.

Ở đây các đầu dây (A, a), (B, b) … là các đầu dây cùng cực tính.

CBA

a b c

Y/Y

Sơ cấp nối saothứ cấp nối sao

zyx

X Y Z

CBA

a b c

/

Sơ cấp nối tam giác

thứ cấp nối tam giác

zyx

X Y Z

CBA

Na b c

/Y 0Sơ cấp nối tam giác

thứ cấp nối sao có trung tính

zyx

X Y Z

Hình 2.16

2

1

2

1

2

1

2

1

33

W

W

U

U

U

U

U

U

p

p

p

p

d

d

2

1

2

1

2

1

W

W

U

U

U

U

p

p

d

d

2

1

2

1

2

1

3

1

3 W

W

U

U

U

U

p

p

d

d




18

2.9. Máy biến áp làm việc song song.

Khi cần tăng công suất thì nối nhiều máy biến áp làm việc song song với nhau(Hình 2.18)

Điều kiện để các máy biến áp có thể làm việc song song là:1-Điện áp định mức sơ cấp và thứ cấp của các máy phải tươg ứng bằng nhau

(cũng có nghĩa là hệ số biến áp của máy bằng nhau). U1I=U1II, U2I=U2II, k I=k II(Thực tế cho phép hệ số biến áp của các máy sai khác nhau không quá 0, 5%)2-Các máy phải có cùng tổ nối dây (để điện áp thứ cấp của chúng tr ùng pha

nhau).

Điều kiện 1 và 2 đảm bảo cho không có dòng điện cân bằng lớn chảy quẩntrong dây quấn các máy do sự chênh điện áp thứ cấp của chúng.

abU .

ABU .

bab U U bU

.aU

.

cU .

CB A

3300

Y/

X Y Z

a b c

zyx

C U .

BU .

AU .

ABU .

Hình 2.17

Máy biến áp IIMáy biến áp I

Hình 2.18: N ối dây 2 máy biến áp l àm việc song song




19

3-Điện áp ngắn mạch của các máy phải bắng nhau.UnI%=UnII%

Điều kiện này đảm bảo cho phân bốtải cho các máy tỷ lệ với công suất củachúng.

Thật vậy, giả sử có: UnI%<UnII%,xét khi máy I nhận tải định mức, tức cóII=IIđm, điện áp rơi trong máy I là:

IIđm.znI.Khi đó dòng điện trong máy II là I II và điện áp rơi trong máy là III.znII. Vì hai máylàm việc song song nên 2 điện áp này phải bằng nhau:

IIđm.znI=IIIznII

với znI, znII là tổng trở ngắn mạch của máy I và máy II (xem hình 2.19). VìUnI%<UnII% nên IIđmznI<IIIđmznII, do đó: III<IIIđm tức dòng điện trong máy II nhỏ hơndòng điện định mức của nó. Vậy khi máy I nhận tải định mức thì máy II non tải, nếumáy II nhận tải định mức thì máy I sẽ quá tải.

Thực tế cho phép điện áp ngắn mạch các máy sai khác không quá 10%2.10. Máy biến áp đặc biệt.2.10.1. Máy biến áp ba dây quấn.

Máy biến áp có 1 dây quấn sơ cấp và 2 dây quấn thứ cấp gọi là máy biến áp 3dây quấn. sơ đồ thay thế của máy như hình 2.20. các hệ số biến áp của máy là:

Theoqui định, công suấtcủa 3 dây quấn được chế tạotheo những tỷ lệ sau:

1> 100%, 100%, 100%2> 100%, 100%, 67%

3> 100%, 67%, 100%4> 100%, 67%, 67%

Máy biến áp 3 dây quấn cho phép nâng cao chỉ tiêu kinh tế kỹ huật của trạmcung cấp điện cho các lưới điện có các điện áp khác nhau vì số máy biến áp cầnthiết của trạm sẽ ít hơn và tổn hao vận hành sẽ nhỏ hơn.

2.10.2. Máy tự biến áp. Máy tự biến áp (hay còn gọi là máy biến áp tự ngẫu) là máy biến áp mà cuộndây có điện áp thấp (HA) chỉ là 1 phần của cuộn dây có điện áp cao (CA) (xem sơđồ hình 2.21).

Do cách cấu tạo như vậy,nên công suất truyền tải quamáy biến áp tự ngẫu gồm 2thành phần: một phần truyền

1

.

U

I I .

II I .

ZnI

ZnII Zt

Hình 2.19

Zm

Z

/

2

Z1

Z/3

m I .

1

.

I

/

3

.

U /

2

.

U

/

3

.

I

/

2

.

I

1

.

U

Hình 2.20

2

1

2

112

U

U

W

W k

3

1

3

113

U

U

W

W k




20

qua đườg từ trường của lõithép, 1 phần truyền trực tiếpqua đường dây dẫn.

Gọi công suất truyền tải qua máy biến áp là công suất truyền tải Stt; công suấttruyền tải qua đường từ trường là công suất thiết kế Stk , ta tìm mối quan hệ giữa Stt

và Stk . Theo hinh 2.21, ta có:Stk =E1I1=E2I2; Stt=UCAICA=UHAIHA

Trong đó: HA

CA

U

U k

(2.42) cho thấy máy biến áp tự ngẫu kinh tế hơn máy biến áp 2 dây quấn về mặt chếtạo, ví dụ: nếu k=2 thì công suất thiết kế chỉ bằng 1/2 công suất truyền tải. Tổn haotrong máy biến áp tự ngẩu cũng nhỏ hơn tổn hao trong máy biến áp 2 dây quấn cùngcông suất. Thật vậy, từ (2.42), có:

k S

P

S

P

tk

Tonhao

tt

Tonhao 11 (2.43)

trong đó: tk

Tonhao

S

P là tỷ số của máy biến áp 2 dây quấn.

Đặc điểm của máy biến áp tự ngẫu: Kích thước, giá thành, tổn hao đều nhỏ hơn máy biến áp 2 dây quấn cùng

công suất (xem (2.42), (2.43)), tuy nhiên điều này chỉ thể hiện r õ khi hệ số k nhỏ. Giữa sơ cấp và thứ cấp của máy có sự liên hệ trực tiếp về điện, vì vậy mức

độ an toàn không cao.

Các ứng dụng chính của máy biến áp tự ngẫu ở lưới điện hạ áp: Máy biến áp dùng để khởi động động cơ điện. Ví biến áp để khởi động

động cơ điện yêu cầu hệ số K nhỏ nên dùng máy biên áp tự ngẫu sẽ giảm giá thành,kích thước so với dùng máy biên áp 2 dây quấn.

CA I .

HA I .

2

.

2

.

I

E

1

.

1

.

, I E

U1

U2

UCA

UHA

HÌnh 2.21

k ICAU

I U U

I U

I E

S

S

CA

CA HACA

CACAtt

tk 1122

tt tk S

k S

1

1 (2.42)

Công suất tổn hao

Công suất




21

Variac: Là máy biến áp có thể điềuchỉnh để điện áp ra thay đổi liên tục dùngtrong phòng thí nghiệm. Loại máy này cólõi thép hình vành khăn. Sơ đồ cuộn dây

như hình 2.22. Điện áp vào ở A, B; điện ápra ở M, B. M là tiếp xúc trượt, có thể trượtdọc theo cuộn dây. Khi M trượt về phía Athì điện áp ra tăng và ngược lại.

Survoltuer.

Survolter là thiết bị cho phép giữ điện áp ra (thứ cấp) cố định khi điện áp vào(sơ cấp) thay đổi bằng cách thay đổi số vòng dây cuôn sơ cấp tỷ lệ với sự thay đổiđiện áp vào còn số vòng dây thứ cấp thì giữa cố định. Sơ đồ cấu tạo cuộn dây của

survolter thông thường như hình 2.23.Việc điều chỉnh số

vòng cuộn sơ cấp đượcthực hiện bằng 2 chuyểnmạch S1 và S2. S1 có4 vị trí (80V; 110V; 160V;220V) dùng để chỉnh thô.S2 có 11 vị trí (10 khoảng)dùng để chỉnh tinh.khoảng thay đổi giữa 2mức chỉnh tinh liên tiếp

thường là 5V. Sai sốđiện áp ra là 1/2 khoảngchỉnh tinh (±2, 5V).

2.10.3. Máy biến áp hàn hồ quang điện.Máy biến áp hàn hồ quang được chế tạo sao cho có đặc tinh ngoài

U2=f(I2) r ất dốc như hình 2.24a để hạn chế dòng điện ngắn mạch (khi mồi hàn) vàđảm bảo cho hồ quang cháy ổn định khi hàn.

Máy biến áp hàn có nhiều loại. HÌnh 2.24b trình bày cấu tạo của máy biến áphàn có mạch từ rẽ. Trong máy, sắt di động (sdđ) tạo một nhánh rẽ thuận lợi cho từthông tản, do đó máy có điện kháng tản lớn, dẫn đến đặc tính ngoàì dốc. Ngoài ra từ

thông tản có thể thay đổi nhờ thay đổi vị trí của sắt di động cho nên có thể thay đổiđộ dốc đặc tính ngoài tức có thể thay đổi dòng điện hàn. Khi sdđ ở hoàn toàn trongkhe hở giữa 2 trụ lõi thép, từ thông tản lớn nhất, dòng điện hàn sẽ nhỏ nhất vàngược lại.

S2 S1

80V

110V 160V

220V

Ngõ vào: 30V đến 220V

Ngõ ra110V 0V 220V

Hinh 2.23

220V

250V

B

M

A

Hinh 2.22




22

Máy biến áp hàn hồ quang thường có điện áp không tải từ 60V đến 75V, điện áp ởtải định mức khoảng 30V.

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 2

Câu hỏi

1. Máy biến áp là gì? Vai trò của máy biến áp trong hệ thống điện lực? Tác dụngcủa từng bộ phận trong máy biến áp?2. Ý ngh ĩa các lựơng định mức của máy biến áp? Hãy tính các dòng điện địnhmức của máy biến áp 3 pha có: Sđm=100kVA; U1đm/U2đm=6000/230V.3. Tại sao khi tăng dòng điện thứ cấp thì dòng điện sơ cấp lại tăng lên? lúc đó từ

thông trong máy biến áp có thay đổi không?4. Cách xác định tham số từ hoá của máy biến áp? Tổn hao không tải là gì?5. Càch xác định trở kháng mạch sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp? Tổn haongắn mạch là gì? Tr ị số điện áp ngắn mạch có ý nghĩa gì?6. Sự phụ thuộc của điện áp thứ cấp vào tải như thế nào?7. So sánh ưu nhược điểm của máy biến áp tự ngẫu và máy biến áp 2 cuộn dây.

Nêu các ứng dụng chính của máy biến áp tự ngẫu.8. Yêu cầu của máy biến áp hàn hồ quang xoay chiều? Nguyên lý hoạt động củamáy biến áp hàn có mạch từ rẽ?9. Cho 2 máy biến áp nối Y/Y-12 và Y/Y-6 có cùng tỷ số` biến đổi K và điện ápngắmn mạch Un. Để chúng làm việc song song thì phải làm thê nào? Cùng các điềukiện tr ên nếu 2 máy biến áp có tổ nối dây Y/-11 và Y/-3?

60-75V

U2

Hình 2.24a

I2

Sắt diđộng Hình 2.24b




Bài tập1. Máy biến áp 1 pha có tiết diện trụ lõi thép là 135cm2, điện áp sơ cấp/thứ cấp là10KV/0, 23KV, 50Hz. Biết biên độ cảm ứng từ trong lõi thép là: 1,1T, Tính số vòngcuộn dây sơ cấp, thứ cấp.

2. Cuộn dây sơ cấp của máy biến áp có 200 vòng. Điện áp đặt vào cuộn dây là:v=155,5.sin 377t+15, 5.sin 1131t (V). Bỏ qua từ thông tản, tính giá trị tức thời vàhiệu dụng cuả từ thông trong lõi thép.3. Máy biến áp không tải, có cuộn sơ cấp 480 vòng, tiêu hao công suất 80W vàdòng điện 1,4A, với điện áp 120V, 60Hz. Nếu điện tr ở của cuộn sơ cấp là 0, 25,hãy tính:

a. Tổn hao sắt từ trong lõi. b. Hệ số công suất không tải.c. Biên độ từ thông trong lõi thép (bỏ qua điện trở sơ cáp và sự sụt áp.

4. Một máy biến áp 3 pha Y/Y-12 có: Sđm=180KVA; U1/U2=6000/400 V; dòngđiện không tải I0%=6, 4; tổn hao không tải: P0=1000W; điện áp ngắn mạch: Un-

%=5,5; tổn hao ngắn mạchPn=4000W. Giả sử: R 1=R 2/

; X1=X2/

. Hãy vẽ sơ đồ thay thế của máy biến áp và tính các thành phần của điện áp ngắnmạch.

Documents

May Bien AP Chuong_2_9014