Bài giảng Kỹ thuật điện: Chương 7 Máy biến áp, cung cấp cho người học những kiến thức như: Nguyên lý làm việc của máy biến áp 1 pha; cấu tạo của máy biến áp; mô hình toán học của máy biến áp; quy đổi và sơ đồ thay thế; chế độ không tải và ngắn mạch máy biến áp; chế độ làm việc có tải. Mời các bạn cùng tham khảo!
CHƯƠNG VII M¸y biÕn ¸p 7.1 Kh¸i niƯm chung 7.2 Nguyên lý làm việc MBA pha 7.3 Cấu tạo 7.4 Mô hình toán học MBA 7.5 Quy đổi sơ đồ thay 7.6 Chế độ không tải ngắn mạch MBA 7.7 Chế độ làm việc có tải 7.8 MBA pha 7.1 Khái niệm chung vỊ m¸y biÕn ¸p Ngn Máy tăng áp Máy giảm ỏp Máy biến áp Cùng công suất truyền tải: - Giảm sụt áp Ud - Giảm tổn hao Pd T¶i tăng S= U I gi¶m - Gi¶m tiÕt diện dây s => giảm khối lng xà, cột => giảm chi phí đầu t * Cỏc i lng nh mức (danh định) ≈ U1®m I1®m S®m = U ®m I ®m Công suất : Điện áp : U1đm U2đm (VA, kVA) Io (V, kV) Ký hiu : U1đm/U2đm (VD: 6/0,22 kV) U1đm SC Dòng ®iƯn : I 1đm , I2®m (A, kA) Chó ý: Các đại lng Um , Im MBA pha đại lng dây U Thụng s khỏc : + u n % = 1n 100 = ÷ 10 U1®m I + i o % = o 100 = 1,5 ữ I1đm TC U 2đm I1đm U1n + Po: Tổn hao công suất không tải +Pn:Tổn hao cụng sut ngn mch I2đm 7.2 Nguyên lý làm viƯc cđa MBA pha φ φ mãc vßng qua dây quấn u1~ biến thiên e1 e2 i1 W2 W1 u1~ e1 dφ dt dφ e = − W2 dt Zt e2 e1 = − W1 Sơ cấp W1,W2 : số vòng dây sơ thứ cÊp Thø cÊp E1 = Gi¶ sư φ = φm sinωt e1 = − W1φm ω cos ωt e1 = 2πfW1φm sin(ωt − 90o ) TQ: 2πfW1φm E1 = 4,44fW1 φm ψe = - 90O e1 = 2E1 sin(ωt + ψ e ) r φ ur E1 Tương tù: E2 = 4,44fW2 φm Khi nèi d©y quÊn thø cÊp víi t¶i Trong dây quấn cã dịng i2 i1 Năng lng điện xoay chiều u1~ lấy vào từ phía sơ cấp thông qua mạch từ chuyển sang phía thứ cấp Sơ cấp tiêu thụ tải Nếu bỏ qua tổn hao dây quấn U1 E W = =k W2 U2 E2 k1 u2 m¸y hạ áp Zt 7.3 Cấu tạo Lõi thép: Mạch từ, ghép từ thép kỹ thuật điện, gồm phận - Trụ: phần lõi thép có lồng dây quấn SC TC - Gông: phần nối liền mạch từ trụ Dây quấn: Mạch điện Trụ Gông Vỏ máy - Thùng BA - Nắp máy 7.4 Các phng trình MBA (mô hình toán học) Phng trình cân điện a Phía sơ cấp i1 - C : móc vòng qua d/q - Φt1 : i1 sinh chØ móc u1~ vòng riêng với d/q sơ cấp C i2 W1 e1 W2 e2 u2 Z t e1 vµ et1 e1 = − W1 e t1 = − W1 dφC dt dφt1 dt Φt1 R1 u1 i1 et1 e1 u1 = −e1 − e t1 + R1i1 e t1 = − W1 dψ dφt1 = − t1 dt dt e t1 = − L t1 =− dψ t1 di1 di1 dt di1 dt u1 = −e1 − e t1 + R1i1 Lt1 Phng trình cân điện áp - Sơ đồ R1 thay dạng phức: ã ã ã Lt1 i1 u1 • U1 = − E1 + jωL t1 I1 + R I1 R1 X1 • • • U1 = − E1 + I1 (R1 + jX1 ) • • e1 R2 X1 I1 U1 = − E1 + I1 Z1 di1 + R1i1 dt u1 = −e1 + L t1 X2 I2 E2 E1 U2 b PhÝa thø cÊp : • • • • • U = E − I (R + jX ) = E − I Z2 Tương tự : C Phng trình cân từ không t¶i : i2 = cã t¶i : i2 ≠ • • Φ Fo= W1 Io i2 W1 u1~ F1 F2 ã i1 W2 e2 e1 u2 Z t • F1 + F2 = W1 I1 + W2 I R1 Khi bá qua ∆U1: U1 ≈ E1 = 4,44fW1Φ m U1 = const U1 • Φ m = const • X1 ∆U1 • => F1 + F2 = Fo ã ã PT cân tõ • => W1 I1 + W2 I = W1 Io => I1 + I2 = Io W1 W2 - I2’ k E1 • ' • I2 I2 = − k • • • ' => I1 = Io + I 7.5 Qui đổi sơ đồ thay Mục đích điều kiện: R1 - Thuận tiƯn cho viƯc nghiªn cøu R2 X1 I1 U1 X2 I2 E2 E1 U2 - Bảo toàn trình lượng E2’ = E1 Thường quy đổi dây quấn thứ cấp sơ cấp Qui ®ỉi : a Qui ®æi s®® Biến đổi E2 E2’ = E1 E1 =k E2 Với E2’ = kE2 Tương tự: U2’ = kU2 b Qui đổi dòng điện I2 ' iu kin : E2’ I2’ = E2 I2 => I = E2 = ' I2 k E2 Tăng s.đ.đ hay điện áp phải giảm dòng nhiêu c Qui đổi tổng trở Từ PTCB đ/a phía thứ cấp: nhân vế với k I2 = kI2 ã ã ' • • U1 X1 I1 R2’ Io E1= E2‘ • k U = k E − (k R + jk X ) I • ’ X2’ I2 U2’ E2’ ' PT sau qui ®ỉi: U = E − ( R S¬ ®å thay thÕ sau quy ®ỉi: R1 • U = E − jX I − R I U2 ’ • • ' + jX • R2’ ' • X2’ ' ) I2 • • I1 = Io + I Zt’ Zt = k2 Zt Chú ý : Các thông số dây quấn thứ cấp c qui đổi dây quấn sơ cấp có dấu phẩy ' ' Thay ã • • R1 U A B = − E = Z th I o Zth = (R th + jX th ) X1 X2’ I2’ ’ A R2 E1 U1 B Sơ đồ thay MBA Io (2 ữ 6)%I1đm R1 U1 Có thể sử dụng sơ ®å thay thÕ gÇn ®óng : R1 U1 X1 I1 thø cÊp s¬ cÊp R2’ X1 I1 Io Rth X2’ I2’ U2’ Xth R2’ X2’ I2’ U2’ t¶i ZZt’ t’ Lõi thép Zt 7.6 Chế độ không tải ngắn mạch MBA Chế độ không tải X1 Io R2 X2 I2 R1 a Sơ đồ nguyên lý R1 X I1 U Io R ’ UU22®m 1®m th U1 b Sơ đồ thay Io R c Tổng trë Zo U1®m Xth th Xth Zo = ( R1+ Rth )+ j(X1 + Xth) Zo = Ro+ jXo V× : R1 I1n = Sù cè nguy hiểm: cháy, nổ Thiết bị bảo vệ (Circuit Breaker) cắt MBA khỏi li điện có cố Xác định tham số MBA thí nghiệm a Thí nghiệm không tải * *W V1 Sơ đồ: U10 §o : I0 ë A U10 ë V1 P0 W U20 V2 A V2 k= Xác định c¸c tham sè : P0 I0 U Z0 = 10 I0 R0 = Xo = U10 U 20 Zo − R o 2 Rth ≈ R0 ; Xth X0 nh mc b Thí nghiệm ngắn mạch: Sơ ®å: Bé ®iỊu chØnh U U1 §o : I1®m ë A1 U1n ë V Pn ë W I2®m ë A2 * * W A1 V A2 Xác định tham sè : Rn = Pn I1®m U Zn = 1n I1®m R1 ≈ R = ' Rn 2 Xn = X1 ≈ X = ' Xn Zn R n 2 Các thành phần điện áp ngắn mạch : u nr % = R n I1®m 100 U1®m u nx % = Rn X n I1®m 100 U1®m Xn I1đm U1n 7.7 ChÕ ®é làm việc có tải Độ biến thiên điện áp thứ cấp đặc tính MBA a Độ biến thiên điện áp thứ cấp U 2đm U 100 U 2®m (1) U − U2 100 ∆U% = 1đm U1đm (2) U% = nhân tử mẫu víi k Rn Xn ' U1®m I1 U2’ Zt’ U ® m = U + R n I + jX n I1 ' U ® m = U + R n I + jX n I ur ' Chän U lµm gèc ' cã đồ thị véc tơ : ur U1đm giả sử tải mang t/c điện cảm thực tế góc nhỏ ur ur ' U1®m trùng phaU r I1 ϕ2 θ ur ' U2 A B C r R n I1 r jX n I1 U1®m - U2’ = AB = AC + CB = RnI1cosϕ2 + XnI1sinϕ2 R n I1 cos ϕ2 + X n I1 sin ϕ2 100 U1®m X I I R I ∆U% = [ n 1®m 100 cos ϕ2 + n 1®m 100sin ϕ2 ] I1đm U1đm U1đm 1 I1 I2 S β= = ≈ β=1 I1®m I2đm Sđm U% = non tải tải tải định møc ∆U%= β(unr%cosϕ2+unx%sinϕ2) ∆U% phô thuéc yÕu tè: - §é lín cđa t¶i (β) - TÝnh chÊt cđa t¶i (ϕ2) R-L R ∆U% = βunr% ϕ2 = 0 < < 90o - tải R-L (Rn xn) (unr%, unx%) - Thông số MBA - tải R U% ∆U% = f(β, ϕ2) β ∆U%R-L> ∆U%R R- C - 90o < ϕ2 < - t¶i R- C ∆U% = βun%(cosϕn cosϕ2 + sinϕnsinϕ2) ∆U%= βun%cos(ϕn- ϕ2 ) >90o =90o < 90o ∆U% )U ®m 100 Z Nãi chung U%R-C < b- Đặc tính U2 = f(I2) U = (1 − un% ∆U% = ∆U% f(β,cosϕ2) ϕn unx% X R unr% U 2®m − U 100 U 2®m R U2 = f( β,cosϕ2) - Tải R: - Tải R - L: β U2 U2đm - Ti R - C: Giữ U2 không đổi: thay đổi W1 W2 Thay đổi vịng dây phía cao ỏp? R-C R R-L I2 Quá trình lng vµ hiƯu st cđa MBA ∑ ∆P P1 P2 η= η= P2 P1 hiÖu suÊt P2 P2 + ∑ ∆P Các loại tổn hao: + Tổn hao đồng Pđ = R1I12 + R2’ I2’2 = RnI12 = ( I1 ) R n I1®m I1®m ∆P® = β2Pn + Tổn hao sắt: Pst = RthI02 R0I02 Pđ = β2Pn + P2 = U2I2cosϕ2 ≈ I2 I ®m η= ∆Pst = P0 U ®m I ®m cos ϕ2 P2 P2 + ∑ ∆P P2 = βS®m cosϕ2 S®m β η= ∆Pst = P0 η βS®m cos ϕ2 βS®m cos ϕ2 + β2 Pn + P0 βk = cos22 cos21 max P0 Pn Giản đồ lng k P2 P1 Pđ1 Pst Pđ2 7.8 Máy biến áp pha 1- Cấu tạo nguyên lý Cỏc đại lượng định mức: - Công suất định mức Sđm : ba pha - Dòng, áp định mức Uđm, Iđm: đại lượng dây - Tổn hao công suất P0, Pn : ba pha - Các đại lượng khác: un%, i0% 2- Tổ nối dây a Định nghĩa: Cỏch ni d/q SC cách nối d/q TC Y/∆ - 11 ur U ab ur U AB 11x30o = 330o số (giờ) Y/Y-12 ur U ab ur U AB 12x30o = 360o Hệ số biến áp kd = U1đm U 2đm kf = U1fđm W1 = U 2fđm W2 Sự làm viƯc song song cđa MBA pha a Mơc ®Ých: - Đảm bảo tính kinh tế - Liên tục cung cấp điện b Điều kiện: - Cùng tổ nối dây - Hệ số biến áp - Điện áp ngắn mạch (sai khỏc khụng quỏ 10%) Ví dơ : MBA pha cã sè liƯu : S®m = 500 kVA; U1®m /U2®m = 22/0,4 kV; Po = 900 W; Pn = 3600 W; io% = 2; un% = 4; dây quấn nối /Y- 11 Tìm : - Các thông số sơ đồ thay - U% vµ hiƯu st η MBA lµm viƯc víi β = 0,8; hệ số cos2 = 0,8 tải điện cảm - Điện áp U2 tải định mức Giải Thông số sơ đồ thay Rn = Pnf I1đmf I1®m = Sơ cấp nối ∆ S®m = 3U1®m I1®mf = I1®m I1®mf = U Zn = 1nf I1®mf Rn = U1nf = Xn = Zn − R n Zn = R1 ≈ R 2' = kf = Rn = Xn = R2 ' kf R2 = Iof = io % I1®mf 100 Zo = Ro = Ro = Xo = U1nf I1®mf X2 = U1f = U 2f Pof Iof Ro = un % U1®mf 100 Xn = X1 ≈ X ' = U1nf = Zo − R o Zo R th ≈ Ro = = U1of = Iof = Xo = X th ≈ Xo = X2 ' kf Po cos ϕo = Chó ý : 3U1®m Io = Ro Zo = R = 10, 45 Ω X1 = 57 Ω R th ≈ Ro = 12.985 Tìm U% hiệu suất η cosϕ2 = 0,80 Xth ≈ Xo = 144.153Ω ∆U%= β(unr%cosϕ2+unx%sinϕ2) sinϕ2 = 0,6 Zn I1®m Rn R n I1®m 100 u nr % = 100 = Zn U U1®m 1®m Xn = u nx % = u n % Zn ∆U% = βS®m cos ϕ2 η= βS®m cos ϕ2 + β2 Pn + P0 T×m U2 U = (1 − = ∆U% )U ®m 100 = = un % Rn Zn 7.9 Máy biến áp đặc biệt Máy biến áp tự ngẫu a Sơ đồ nguyên lý b Đặc điểm - hệ số BA : A U1 W1 U1 W1 A W2 U W2 2U U1 W1 => U = W2 U k= = W1 U W2 A thay đổi U2 thay đổi từ: ÷ U1đm Trên nhãn MBATN PTN - Năng lng chuyển từ SC sang TC theo đường-> KÝch thước nhá gän c Phạm vi sử dụng U1 = 220 V - Công suất vừa nhỏ U2 = 0÷250 V - Cơng suất lớn Máy biến áp đo lng Ucao a Máy biến điện áp W1 * Sơ đồ nguyên lý * Đặc ®iĨm - hƯ sè BA : W2 k= U1 W1 = U W2 => U V = W2 U cao W1 - đầu dq thứ cấp nối với Vôn kế U2đm = 100 V V Khụng ti hoc vũng b Máy biến dòng điện W1 I lớn a Sơ đồ nguyên lý A b Đặc ®iĨm - hƯ sè BD : k i = W2 I1 W2 I lín = = I W1 I A => I A = W1 I lín W2 - đầu dq thứ cấp nối với A - I2®m = 5A -> MBA 100/5, 200/5, 1000/5, … ... - Độ lớn tải () - TÝnh chÊt cđa t¶i (ϕ2) R-L R ∆U% = βunr% ϕ2 = 0 < ϕ2 < 90o - tải R-L (Rn xn) (unr%, unx%) - Thông số MBA - t¶i R ∆U% ∆U% = f(β, ϕ2) β ∆U%R-L> ∆U%R R- C - 90o < ϕ2 < - t¶i R-... βun%cos(ϕn- ϕ2 ) >90o =90o < 90o ∆U% )U ®m 100 Z Nãi chung ∆U%R-C < b- Đặc tính U2 = f(I2) U = (1 − un% ∆U% = ∆U% f(β,cosϕ2) ϕn unx% X R unr% U 2®m − U 100 U 2®m R U2 = f( β,cosϕ2) - Tải R: - Tải R -. .. Pst Pđ2 7. 8 Máy biến áp pha 1- Cấu tạo nguyên lý Cỏc i lng nh mc: - Cơng suất định mức Sđm : ba pha - Dịng, áp định mức Uđm, Iđm: đại lượng dây - Tổn hao công suất P0, Pn : ba pha - Các đại