149 Chương 5 CÁC LOẠI MÁY BIẾN ÁP ĐẶC BIỆT Giới thiệu chung về máy biến áp: Chương này trình bày về các loại máy biến áp đặc biệt (MBB), các loại máy biến áp này không chỉ chuyển đổi năng lượng điện như các loại máy biến áp thông thường mà còn biến đổi các thông số của năng lượng điện mà chúng chuyển đổi. Các thông số đó là: tần số, số pha hay dạng sóng điện áp. Ngoài ra, chúng còn đáp ứng một số yêu cầu đặc biệt như: điều chỉnh điện áp một cách liên tục, tạo ra nguồn cung cấp có điện áp cao, cách ly thứ cấp của máy biến áp với tải trở kháng, cung cấp điện áp phía thứ cấp hoặc dòng điện phía thứ cấp cân xứng với điện áp hoặc dòng điện phía sơ cấp. Các loại MBB này thường được ứng dụng trong các thiết bò đo lường và điều khiển tự động. Trong đo lường chúng có nhiệm vụ biến đổi giá trò điện áp hoặc dòng điện phía sơ cấp thành giá trò điện áp hoặc dòng điện mà các thiết bò đo có thể chòu đựng được với một tỹ lệ chính xác. Trong điều khiển tự động MBB có nhiệm vụ tạo ra nguồn áp hoặc nguồn dòng với các giá trò chuẩn và chất lượng cao. 5.1 Máy biến áp đo lường: Trong thực tế hầu hết các hệ thống đều vận hành với điện áp và dòng điện rất lớn. Các giá trò này nếu đưa trực tiếp vào thiết bò đo sẽ làm hỏng thiết bò đo. Do đó, các thiết bò đo này cần phải được nối gián tiếp với điện áp hoặc dòng điện cần đo thông qua các máy biến áp đo lường. Các máy biến áp loại này còn được dùng trong điều khiển động lực, rơle an toàn, và các thiết bò tự động điều khiển khác. Máy biến áp đo lường gồm hai loại là: máy biến điện áp và máy biến dòng điện. 5.1.1 Máy biến điện áp: Máy biến điện áp trong đo lường hầu hết là máy biến áp giảm áp. Chúng được thiết kế để là giảm điện áp cuộn thứ cấp xuống còn khoãng 100 (V) (đây là giá trò điện áp thích hợp với hầu hết các thiết bò đo). Cấu tạo của máy biến điện áp như sau: Cấu tạo: Máy biến điện áp là một máy biến áp cách ly với cuộn sơ cấp có số vòng lớn và cuộn thứ cấp có ít vòng. Một vài hình dạng bên ngoại của máy biến điện áp được trình bày ở hình 1.4.1. Đặc điểm cấu tạo được trình bày ở hình 1.4.2. 150 Hình 5.1 Hình dạng bên ngoài của máy biến điện áp. Hình 5.2 Đặc điểm cấu tạo của máy biến điện áp. Nguyên lý làm việc của máy biến điện áp: Máy biến điện áp được thiết kế sao cho điện áp dây quấn thứ cấp ít thay đổi khi tải thay đổi từ lúc không tải đến đầy tải (tải đònh mức). Theo lý thuyết máy điện ta có: ' 2 ' 1 ' 2 ZZ Z.V V + − ≈ • • Trong đó: • ' 2 V là giá trò điện áp thứ cấp qui đổi. 1 V • điện áp hai đầu cuộn sơ cấp. ' Z là giá trò tổng trở qui đổi. 2 Z là giá trò tổng trở thứ cấp. 151 V δ • − ' 2 V • 2 V • 1 V i δ • − ' 2 I • 2 I • 1 I (a) (b) Hình 5.3 Độ lệch pha của máy biến áp đo lường. Khi Z ’ >> Z 2 thì • • −= 1 ' 2 VV , lúc đó tó số giửa điện áp sơ cấp và thứ cấp luôn luôn như nhau và được xác đònh theo công thức: 21 1 12 12 n.VW/W.VV ••• −=−= (1.4.2) Trong đó: W 2 số vòng dây quấn thứ cấp. W 1 số vòng dây quấn sơ cấp. n 21 là tó số biến áp Trong hầu hết các trường hợp đo lường thì Z 2 luôn có giá trò đáng kể so với Z ’ không thể bỏ qua được do đó biểu thức 1.4.2 sẽ không còn đúng. Khi đó xuất hiện hai loại sai số sau: Sai số tó lệ (độ lệch điện áp V Δ ): Sai số tó lệ được cho bởi công thức: %100. V V W W .V V 1 1 2 1 2 − =Δ Sai số góc pha (độ lệch pha V δ ): sai số này phụ thuộc vào góc pha giữa 1 V • và • − ' 2 V hình 5.3 a. Độ lớn của các sai số trên càng tăng khi tổng trở của máy biến điện áp Z tăng. Cá sai số này là không thể tránh khỏi nhưng trong đo lường và điều khiển tự động để có một đònh lượng rõ ràng người ta qui đònh cá sai số này không được vượt quá một số giá trò gọi là cấp chính xác. Theo tiêu chuẩn của Nga thì có 3 cấp chính xác đối với máy biến điện áp là: Cấp chính xác 1: %5,0V ± =Δ , ' V 20±=δ Cấp chính xác 2: %0,1V ± =Δ , ' V 40±=δ Cấp chính xác 3: %0,3V ± =Δ , V δ không giới hạn. 152 5.1.2 Máy biến dòng điện: Trong hầu hết các thiết bò đo lường và điều khiển dòng điện đều được qui về chuẩn 5A nên các máy biến dòng điện sử dụng trong các lónh vực này thường có dòng điện ngõ ra cuộn thứ cấp là 5A. Như đã đề cập đến ở trên cuộn thứ cấp của máy biến dòng thường được nối với các thiết bò đo như ampere kế, watt kế hoặc các thiết bò tự động khác. Có một lưu ý là khi sử dụng máy biến dòng để cung cấp cho nhiều thiết bò thì phải mắt nối tiếp các thiết bò này với nhau. Cấu tạo: Máy biến dòng điện củng giống như một máy biến áp cách ly thông thường gồm có lõi thép được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện, hai cuộn dây quấn sơ cấp và thứ cấp đặt trên lõi thép. Điểm đặc biệt của máy biến dòng nằm ở tiết diện và số vòng dây quấn cuộn sơ cấp và thứ cấp. Cuộn dây sơ cấp được quấn rất ít vòng thường chỉ được quấn một vòng dây. Dây quấn sơ cấp có tiết diện rất lớn do máy phải làm việc ở điều kiện gần như ngắn mạch. Đường kính dây quấn sơ cấp phụ thuộc vào cấp công suất của máy biến dòng; máy biến dòng có công suất càng lớn thì đường kính dây quấn sơ cấp càng lớn. Dây quấn thứ cấp của máy biến dòng có tiết diện nhỏ và có rất nhiều vòng (hình 1.4.4). Hình dạng bên ngoài của máy biến dòng điện thường là hình tròn (hình 1.4.5). Vì có dạng hình tròn kín nên thông thường máy biến dòng được lấp trong lúc lấp đặt mạng điện. Φ Ngõ ra Ngõ vào Hình 5.4 Sơ đồ nguyên lý máy biến dòng. 153 Hình 5.5 Hình dáng bên ngoài của máy biến dòng điện Nguyên lý hoạt động của máy biến dòng: Như đã đề cập đến ở trên, máy biến dòng thường xuyên hoạt động ở tình trạng gần như ngắn mạch. Do đó, một điều rất quan trọng khi sử dụng máy là không được phép để máy hoạt động ở chế độ không tải vì điện áp không tải phía thứ cấp của máy biến dòng điện rất lớn có thể gây hỏng lớp cách điện dẩn đến phá huỷ máy. Dòng điện ngõ ra của máy biến dòng điện được xác đònh theo biểu thức sau: '' 20 0 1 1 2 2 ' 2 ZZZ Z .I W W .II ++ −== •• • Trong đó: Z 0 : tổng trở của máy biến dòng điện lúc không tải. ' 2 Z : tổng trở thứ cấp qui đổi. ' Z : tổng trở qui đổi của máy biến dòng • ' 2 I : dòng điện thứ cấp qui đổi. Giống như máy biến điện áp, máy biến dòng điện củng có sai số tó lệ và sai số góc pha. Các sai số này sẽ giảm mạnh khi tổng '' 2 ZZ + giảm so với tổng trở của máy lúc không tải 0 Z . Đó là lý do tại sao các nhà sản xuất máy biến dòng điện luôn tìm mọi cách để tăng tổng trở lúc không tải Z 0 của máy biến áp và giảm giá trò ' 2 Z xuống kết hợp với việc sử dụng đúng loại máy biến dòng (để có được Z < Z R ). Sai số tó lệ của máy biến dòng điện đựơc xác đònh như sau: %100. I IW/W.I i 1 1122 − =Δ Độ lệch pha i δ được minh hoạ ở hình 5.3 b. Cấp chính xác và các giới hạn sai số cho phép đối với máy biến dòng điện theo tiêu chuẩn của Nga như sau: Cấp chính xác 0,2: %2,0i = Δ , ' i 10=δ 154 Cấp chính xác 0,5: %5,0i = Δ , ' i 40=δ Cấp chính xác 1: %0,1i =Δ , ' i 80=δ Cấp chính xác 3: %0,3i =Δ , i δ không giới hạn. Cấp chính xác 10: %10i = Δ , i δ không giới hạn. 5.2 Máy biến áp chuyển đổi số pha (MBA Scott) Có nhiều cách để chuyển đổi từ hai pha sang hai pha với hai máy biến áp. Một trong những phương pháp thường được áp dụng nhất hiện nay là mắt theo kiêut hình T hay còn gọi là MBA Scoot. Cấu tạo: Máy biến áp Scott có cấu tạo từ hai máy biến áp cách ly. Hai máy này với số vòng dây quấn khác nhau sẽ được nối với nhau như hình 1.4.6. Trong đó máy b được xem như máy chính có số vòng là phía sơ cấp là W 1 và máy còn lại (máy a) là máy phụ có số vòng sơ cấp là 2/W.3 1 . Cả hai máy đều có số vòng dây thứ cấp là W 2 . Hình 5.6 Sơ đồ nguyên lý trong máy biến áp Scott. Nguyên lý hoạt động của máy biến áp Scott: Máy biến áp Scott hoạt động dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ giống như ở máy biến áp thông thường. Khi đặt vào vào hai đầu B và C của máy b một điện áp bằng với điện áp dây của nguồn điện 3 pha (V CB = V 1 ). Do máy biến áp a có số vòng là 2/W.3 1 và được nối từ đầu A đến đầu 0 của máy biến áp chính (b) nên điện áp sơ cấp của máy biến áp này có giá trò là 2/V.3 1 . Điện áp thứ cấp V a và V b của hai máy biến áp sẽ tạo thành hệ thống điện áp hai pha vì chúng bằng nhau về trò số: MỤC LỤC Trang Mở đầu 01 Phần I: Máy điện một chiều (MĐMC) Chương 1: Đại cương về máy điện một chiều 07 Chương 2: Mạch từ lúc không tải của MĐMC 13 Chương 3: Dây quấn phần ứng của MĐMC 22 Chương 4: Quan hệ điện từ trong MĐMC 40 Chương 5: Từ trường lúc có tải của MĐMC 48 Chương 6: Đổi chiều 56 Chương 7: Máy phát điện một chiều 68 Chương 8: Động cơ điện một chiều 83 Chương 9: Máy điện một chiều đặc biệt công suất nhỏ 96 Phần II: Máy biến áp (MBA) Chương 1: Khái niệm chung về MBA 107 Chương 2: Tổ nối dây và mạch từ của MBA 116 Chương 3: Quan hệ điện từ trong MBA 125 Chương 4: Chế độ làm việc ở tải xác lập đối xứng của MBA 138 Chương 5: Máy biến áp đặc biệt 149 155 )W/W.(V)W/W.(VV 12112CBb == )W/W.(V)W.3/W.2.(VV 121120Aa == và lệch nhau một góc 90 0 điện như V A0 và V CB . Giản đồ vector của điện áp thứ cấp đựơc trình bày trên hình 5.6 . 149 Chương 5 CÁC LO I MÁY BIẾN ÁP ĐẶC BIỆT Gi i thiệu chung về máy biến áp: Chương này trình bày về các lo i máy biến áp đặc biệt (MBB), các lo i máy biến áp này không chỉ chuyển đ i năng. Đặc i m cấu tạo của máy biến i n áp. Nguyên lý làm việc của máy biến i n áp: Máy biến i n áp được thiết kế sao cho i n áp dây quấn thứ cấp ít thay đ i khi t i thay đ i từ lúc không t i đến. dòng i n. 5. 1.1 Máy biến i n áp: Máy biến i n áp trong đo lường hầu hết là máy biến áp giảm áp. Chúng được thiết kế để là giảm i n áp cuộn thứ cấp xuống còn khoãng 100 (V) (đây là giá trò