116 Chương 2: TỔ NỐI DÂY VÀ MẠCH TỪ CỦA MBA § 2.1. Đại cương Để máy biến áp 3 pha có thể làm việc được các dây quấn pha sơ và thứ cấp phải được nối với nhau theo một qui luật nhất đònh. Ngoài ra sự phối hợp kiểu nối dây quấn sơ với kiểu nối dây quấn thứ cấp cũng hình thành các tổ nối dây quấn khác nhau. Hơn nữa lúc thiết kế việc quyết đònh dùng tổ nối dây quấn cũng phải thích hợp với kiểu kết cấu mạch từ để tránh những hiện tượng không tốt như s.đ.đ pha không sin, tổn hao phụ tăng v.v… § 2.2. Tổ nối dây của máy biến áp 1. Cách kí hiệu đầu dây : Các đầu tận cùng của dây quấn máy biến áp, 1 đầu gọi là đầu đầu, đầu kia gọi là đầu cuối. - Đối với MBA 1 pha thì có thể tùy ý chọn đầu đầu và đầu cuối. - Đối với MBA 3 pha, các đầu đầu và đầu cuối phải chọn 1 cách thống nhất : giả sử dây quấn pha A chọn đầu đầu đến đầu cuối đi theo chiều kim đồng hồ (hình 2.1a) thì các dây quấn pha B và C còn lại cũng phải được chọn như vậy (hình 2.1b, c). Điều này rất cần thiết bởi vì 1 pha dây quấn kí hiệu ngược thì điện áp lấy ra mất tính đối xứng (hình 2.2). Cách qui ước các đầu đầu và đầu cuối của dây quấn MBA 3 pha : các đầu tận cùng dây quấn cao áp dây quấn hạ áp Sơ đồ kí hiệu dây quấn Đầu đầu A B C a b c Đầu cuối X Y Z x y z Đầu trung tính 0 0 2. Các kiểu dấu dây quấn: Dây quấn MBA có thể đấu theo các kiểu chính sau : - Đấu hình sao (Y): Khi đấu sao thì ba đầu X, Y, Z nối lại với nhau, còn ba đầu A, B, C để tự do (hình 2.3a). Nếu đấu sao có dây trung tính thì gọi là đấu hình sao không (Y o hình 2.3b ). Dây quấn đấu Y 0 thông dụng đối với MBA cung cấp cho tải Hình2.1 Cách qui ước các đầu đầu và đầu cuối của dây quấn ba pha. Hình2.2 Điện áp dây không đối xứng lúc kí hiệu ngược hay đấu ngược 1 pha. N 117 hỗn hợp vừa dùng điện áp dây để chạy động cơ, vừa dùng điện áp pha để thắp sáng. - Đấu hình tam giác (∆) thì đầu cuối của pha này đấu với đầu đầu của pha kia: có thể đấu theo 2 kiểu hoặc theo thứ tự AX-BY-CZ-A (hình 2.4a) hoặc theo thứ tự AX-CZ-BY-A (hình 2.4b). Cách đấu tam giác được dùng nhiều khi không cần điện áp pha. - Đấu hình tam giác hở (đấu hình V): Thường dùng cho tổ MBA 3 pha khi sửa chữa hoặc hư hỏng một máy. - Đấu hình zic zăc (Z) : Lúc đó mỗi pha dây quấn gồm 2 nửa cuộn dây ở trên 2 trụ khác nhau nối nối tiếp nhau. N Hình2.3 Đấu Y và đấu sao không b) a) a) b) Hình2.4 Đấu tam giác dây quấn MBA Hình2.5 Đấu zíc zắc dây quấn MBA a) Khi 2 nửa dây quấn nối nối tiếp ngược; b) Khi 2 nửa dây quấn nối nối tiếp thuận a) b) Kiểu đấu dây này rất ít dùng vì tốn nhiều đồng hơn và thường chỉ gặp trong các máy biến áp dùng cho các thiết bò chỉnh lưu hoặc MBA đo lường để hiệu chỉnh sai số về góc lệch pha. 3. Tổ nối dây của MBA: Được hình thành do sự phối hợp kiểu đấu dây sơ cấp so với kiểu đấu dây thứ cấp. Nó biểu thò góc lệch pha giữa s.đ.đ dây sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp. Góc lệch pha này phụ thuộc vào các yếu tố : - Chiều quấn dây. - Cách kí hiệu đầu dây. - Kiểu đấu dây quấn giữa sơ và thứ cấp. 118 Muốn xác đònh và gọi tên 1 tổ đấu dây ta phải chấp nhận các giả thiết sau : - Các dây quấn quấn cùng chiều trên trụ thép. - Chiều S.đ.đ trong dây quấn hoặc chạy từ đầu cuối đến đầu đầu hoặc ngược lại. Ta hãy xét 1 MBA 1 pha có 2 dây quấn sơ cấp AX, thứ cấp ax như hình 2.6.Nếu 2 dây quấn được quấn cùng chiều trên trụ thép,kí hiệu các đầu dây như nhau (ví dụ A, a ở phía trên; X, x ở phía dưới như hình 2.6 a) thì s.đ.đ cảm ứng trong chúng khi có từ thông biến thiên đi qua sẽ hoàn toàn trùng pha nhau (hình 2.6 b). Nếu đổi chiều dây quấn của 1 trong 2 dây quấn, ví dụ dây của dây quấn thứ cấp ax (như hình 2.6 c) hoặc đổi kí hiệu đầu dây, cũng dây quấn thứ cấp ax (hình 2.6 e) thì s.đ.đ trong chúng sẽ hoàn toàn ngược pha nhau (hình 2.6 d, g). Trường hợp thứ nhất, góc lệch pha giữa các s.đ.đ kể từ véc tơ s.đ. đ sơ cấp đến véc tơ s.đ.đ thứ cấp theo chiều kim đồng hồ là 360 0 (I/I-12); Hai trường hợp sau là 180 0 (I/I-6). a) b) c) d) e) g) I/I-6 I/I-12 I/I-6 Hình2.6 Tổ nối dây của máy biến áp một pha Ở MBA 3 pha còn do cách đấu Y, ∆ với những thứ tự khác nhau mà góc lệch pha giữa các s.đ.đ dây sơ và thứ cấp có thể là 30 0 , 60 0 , . . . 360 0 . Trong thực tế để thuận tiện người ta không dùng độ để chỉ góc lệch pha đó mà dùng phương pháp kim đồng hồ để biểu thò và gọi tên tổ nối dây của MBA. Kim dài của đồng hồ chỉ điện áp dây sơ cấp đặt cố đònh ở số 12. Kim ngắn của đồng hồ chỉ điện áp dây thứ cấp tương ứng với các con số : 1, 2, 3, . . . 12, tùy theo góc lệch pha là 30 0 , 60 0 , 90 0 . . . 360 0 . Hình2.7 Phương pháp kí hiệu tổ nối dây theo phương pháp kim đồng hồ 119 Thí dụ a) Tổ nối dây Y/ Y: Nếu đổi chiều quấn dây hay đổi ký hiệu đầu dây của dây quấi dây Y/Y-6. hoán vò thứ tự các pha thứ cấp, ta sẽ có các tổ nối dây chẵn 2, 4, 8, 10. b) Tổ đấu dây Y/ ∆: Thay đổi chiều quấn dây hay đổi ký hiệu đầu dây của dây quấi dây Y/∆ -5. hoán vò các pha thứ cấp ta sẽ có các tổ nối dây lẻ 1, 3, 7, 9. Sản xuất nhiều máy biến áp có tổ nối dây khác nhau rất bất lợi cho việc chế tạo và sử dụng, vì thế trên thực tế ở nước ta và liên xô cũ chỉ sản xuất các máy biến áp điện lực thuộc các tổ nối dây sau: Máy biến áp một pha có tổ I/I-12, máy biến áp ba pha có các tổ Y/Y 0 -12, Y/∆-11 và Y 0 /∆-11 . Phạm vi ứng dụng của chúng được ghi trong bảng dưới đây: Tổ nối dây Điện áp Dung lượng của CA (KV) HA (V) máy biến áp (KVA) Y/Y 0 -12 35≤ 230 400 Y/∆-11 35≤ 525 Y 0 /∆-11 Y/ ∆ −11 Y/Y-12 560≤ 1800≤ 1800≤ 110≥ 3150≥ 3200≥ 525≥ 5600≥ 3300≥ 7500≥ 36,≥ 120 § 2.3 Mạch từ của máy biến áp 1. Các dạng mạch từ a ) Máy biến áp 1 pha : có 2 loại kết cấu mạch từ - Máy biến ápkiểu lõi: là MBA có dây quấn bọc các trụ của lõi thép. - Máy biến áp kiểu bọc: là máy biến áp có mạch từ được phân nhánh ra hai bên và "bọc" lấy một phần dây quấn. b) Máy biến áp 3 pha : Dựa vào sự liên quan hay không liên quan của các mạch từ giữa các pha người ta chia ra : - Hệ thống mạch từ riêng : là hệ thống mạch từ trong đó từ thông của 3 pha độc lập đối với nhau. Như trường hợp máy biến áp 3 pha ghép từ 3 máy biến áp 1 pha, gọi tắt là tổ máy biến áp 3 pha. - Hệ thống mạch từ chung : là hệ thống mạch từ trong đó từ thông 3 pha có liên quan với nhau như ở máy biến áp 3 pha kiểu trụ, để phân biệt với kiểu trên người ta gọi là máy biến áp 3 pha 3 trụ. Hình2.8a Tổ m.b.a ba pha Hình2.8b M.b.a ba pha 3 trụ 2. Những hiện tượng xuất hiện khi từ hóa lõi thép MBA Khi từ hóa lõi thép máy biến áp do mạch từ bão hòa làm xuất hiện những hiện tượng mà 1 trong số các hiện tượng đó có thể ảnh hưởng đến tình trạng làm việc của máy biến áp. Chúng ta khảo sát xem dòng điện từ hóa i o sinh ra Φ như thế nào khi máy biến áp làm việc không tải. a) Máy biến áp 1 pha : Điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp sẽ sinh ra i o , i o sinh ra Φ chạy trong lõi thép. Nếu điện áp đặt vào biến thiên hình sin theo thời gian: Và coi máy biến áp không có từ thông rò, không có tổn hao đồng trong dây quấn và tổn hao trong sắt, thì Nghóa là từ thông cũng biến thiên hình sin theo thời gian: tsinUU m ω = dt d weU Φ =−= ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ π ωΦ=Φ 2 -tsin m 121 α. Nếu bỏ qua tổn hao trong lõi thép: - i o thuần túy là dòng điện phản kháng để từ hóa lõi thép i o = i ox . Do đó quan hệ Φ = f(i o ) chính là quan hệ từ hóa B = f(H). Dựa vào đường Φ = f(i o ) ứng với mỗi giá trò tức thời của Φ = f(t) ta dễ dàng tìm được trò số i o tương ứng và vẽ được đường biểu diễn i o = f(t). - Ta thấy do hiện tượng bão hòa của lõi thép, nếu Φ là hình sin, i o sẽ không sin mà có dạng nhọn đầu và trùng Hình2.9 Bỏ qua ảnh hưởng của từ trễ Φ = f (i 0 ) Φ = f (t) i 0 = f (t) i 01 i 03 i 05 i 0 pha với Φ. Nghóa là i o ngoài thành phần sóng cơ bản i o1 còn có các thành phần sóng điều hòa bậc cao i o3 , i o5 , i o7 ,… Trong đó thành phần i o3 lớn nhất và đáng kể hơn cả, còn các thành phần khác rất bé có thể bỏ qua. Ta có thể xem chính i o3 làm cho i o có dạng nhọn đầu, cũng từ lí luận ấy ta thấy nếu mạch từ càng bão hòa i o càng nhọn đầu. β. Nếu kể đến tổn hao trong lõi thép: thì quan hệ Φ = f(i o ) là quan hệ từ trễ B = f(H) Từ quan hệ Φ = f(t) và Φ = f(i o ) ta vẽ được đường biểu diễn quan hệ i o = f(t). Từ đường cong i o = f(t) cho ta thấy nếu Φ là hình sin thì i o có dạng nhọn đầu nhưng vượt pha so với Φ một góc α , α lớn hay bé tùy theo mức độ từ trễ của B đối với H nhiều hay ít. Nếu tượng trưng Φ là 1 véc tơ nằm ngang thì i o vượt trước Φ một góc α: Hình2.10 Ảnh hưởng của từ trễ đến dòng điện i ox : Thành phần dòng điện phản kháng để sinh ra Φ trong lõi thép, cùng chiều với Φ. i or : Thành phần dòng điện tác dụng, vuông góc với i ox là dòng điện gây nên tổn hao sắt từ trong lõi thép. Hình2.11 Dòng điện từ hoá và các thành phần của nó 122 b) Máy biến áp 3 pha: Khi không tải nếu xét từng pha riêng lẻ thì dòng điện bậc 3 trong các pha là: i 03A = i 03m sin 3ωt i 03B = i 03m sin 3 (ωt - 120) = i 03m sin 3ωt i 03C = i 03m sin 3 (ωt - 240) = i 03m sin 3ωt Dòng điện trùng pha nhau về thời gian, nghóa là tại mọi điểm chiều của dòng điện có trong 3 pha hoặc hướng từ đầu đầu đến đầu cuối dây quấn hoặc ngược lại. Song chúng tồn tại hay không và dạng sóng như thế nào còn phụ thuộc vào kết cấu mạch từ và cách đấu dây quấn. α. Trường hợp máy biến áp nối Y/ Y (1) a) i 03 i 03 i 03 Điện áp dây không có những thành phần điều hòa bội số của 3 về mặt vật lí, điều này được giải thích là dọc theo 1 trong 2 mạch vòng làm thành hình sao s.đ.đ, những thành phần điều hòa này tác dụng ngược nhau (h a). Do đó dòng điện từ hóa i o sẽ có dạng hình sin và từ thông do nó sinh ra có dạng vạt đầu (h b). Có thể xem từ thông tổng gồm sóng cơ bản Φ 1 và các sóng điều hòa bậc cao Φ 3 , Φ 5 . . . các thành phần điều hòa lớn hơn 3 là rất nhỏ nên ta có thể bỏ qua chỉ vẽ Φ 1 và Φ 3 (h b) b) c) Hình2.13 Đường biểu diễn từ thông (b) và s.đ.đ của tổ m.b.a 3 pha nối Y/Y Đối với tổ máy biến áp 3 pha vì mạch từ của cả 3 pha riêng lẻ, từ thông của cả 3 pha cùng chiều tại mọi thời điểm sẽ dễ dàng khép kín như Φ 1 . Do thép có từ trở bé nên Φ 3 = (15 ÷ 20)% Φ 1 , thì e 3 = (45 ÷ 60)% e 1 do đó e = e 1 + e 3 sẽ có dạng nhọn đầu như h c. Nghóa là biên độ của s.đ.đ pha tăng lên rõ rệt. Sự tăng vọt của s.đ.đ lên như vậy hoàn toàn không có lợi và trong nhiều trường hợp rất nguy hiểm như chọc thủng cách điện của dây quấn, làm hỏng thiết bò đo lường… Bởi vì những lí do đó người ta không dùng kiểu đấu Y/Y cho tổ máy biến áp 3 pha. Cũng cần phải nói thêm rằng là s.đ.đ pha có trò số và biên độ biến đổi đi nhiều nhưng các s.đ.đ dây vẫn luôn hình sin. Vì dây quấn nối Y thì s.đ.đ dây không có thành phần bậc 3. Đối với máy biến áp 3 pha 3 trụ vì thuộc hệ thống mạch từ chung nên hiện tượng sẽ khác đi, từ thông cùng chiều và bằng nhau trong 3 trụ thép nên chúng không thể 123 khép mạch từ trụ này qua trụ khác mà bò đẩy ra ngoài khép mạch từ gông này đến gông kia qua không khí hoặc dầu là môi trường có từ trở lớn, Φ 3 không lớn lắm nên có thể coi s.đ.đ pha là hình sin. Song cần chú ý Φ 3 đập mạch với tần số 3f qua vách thùng, bu lông ghép . . . sẽ gây nên những tổn hao phụ làm giảm η của máy biến áp. Do đó phương pháp đấu Y/Y đối với Φ 3A Φ 3B Φ 3C Hình2.14 Từ thông điều hoà bậc 3 trong m.b.a 3 pha 3 trụ. máy biến áp 3 pha ba trụ cũng chỉ áp dụng cho các m.b.a với dung lượng hạn chế từ 5600 kVA trở xuống. β. Trường hợp máy biến áp nối ∆/ Y: Dây quấn sơ cấp đấu ∆ nên i o3 khép kín trong ∆ đó. i o có i o3 sẽ có dạng nhọn đầu, nên tương tự như máy biến áp 1 pha đã xét Φ và e đều có dạng hình sin. Không có trường hợp bất lợi. Cách đấu này có thể sử dụng cho các loại máy biến áp. γ. Trường hợp máy biến áp nối Y/ ∆: Hình2.15 Dòng điện điều hoà bậc 3 trong dây quấn nối ∆ /Y khi không tải. Hình2.15 Dòng điện điều hoà bậc 3 trong dây quấn nối Y/ ∆ khi không tải. Hình2.15 Dòng điện điều hoà bậc 3 trong dây quấn nối Y/ ∆ khi không tải. Do dây quấn sơ cấp nối Y, i o3 không có nên Φ có dạng vạt đầu nghóa là có từ thông bậc 3: Φ 3 λ , Φ 3 λ sẽ cảm ứng trong dây quấn thứ cấp s.đ.đ bậc 3: E 23 chậm sau Φ 3 λ 90 o . Đến lượt E 23 gây ra dòng điện bậc 3 trong mạch vòng thứ cấp nối ∆ I 23 . Vì điện khác (X) dây quấn lớn nên có thể xem I 23 chậm sau E 23 = 90 o . Rõ ràng là I 23 sẽ sinh ra từ thông thứ cấp Φ 3 δ (coi như trùng pha với I 23 ) gần như ngược pha với Φ 3 λ . Do đó từ thông tổng bậc 3 : Φ / 3 = Φ 3 λ + Φ 3 δ gần như bò triệt tiêu. Ảnh hưởng của từ thông bậc 3 không đáng kể, s.đ.đ pha gần như hình sin. Tóm lại khi m.b.a làm việc không tải, các cách đấu ∆/Y hay Y/∆ đều tránh được tác hại của từ thông và s.đ.đ điều hoà bậc 3. 124 Câu hỏi 1. Tổ nối dây của máy biến áp là gì? Sự cần thiết phải xác đònh tổ nối dây. 2. Vẽ các sơ đồ dây quấn ứng với tổ nối dây Y/Y - 2, 4, 8, 10 và các sơ đồ dây quấn ứng với các tổ nối dây Y/∆ - 1, 3, 7, 9. 3. Dòng điện từ hoá của máy biến áp lớn hay bé, tại sao? Nó phụ thuộc vào những yếu tố nào? 4. Các kết cấu mạch từ khác nhau và cách đấu dây quấn khác nhau ảnh hưởng như thế nào với dòng điện và điện áp lúc không tải của máy biến áp ba pha. Bài tập Hãy xác đònh tổ nối dây của máy biến áp trên hình vẽ sau Đáp số: ∆/Y-9; ∆/∆ -10; ∆/∆ -4; Y/Y - 4 c a b z x y c a b z x y A B C X Y Z A B C X Y Z c a b z x y A B C X Y Z A B C X Y Z c a b z x y . chiều kim đồng hồ là 360 0 (I/ I- 12) ; Hai trường hợp sau là 180 0 (I/ I-6). a) b) c) d) e) g) I/ I-6 I/ I- 12 I/ I-6 Hình2.6 Tổ n i dây của máy biến áp một pha Ở MBA 3 pha còn do cách đấu Y, ∆ v i. từ a ) Máy biến áp 1 pha : có 2 lo i kết cấu mạch từ - Máy biến ápkiểu l i: là MBA có dây quấn bọc các trụ của l i thép. - Máy biến áp kiểu bọc: là máy biến áp có mạch từ được phân nhánh ra hai . dòng i n từ hóa i o sinh ra Φ như thế nào khi máy biến áp làm việc không t i. a) Máy biến áp 1 pha : i n áp đặt vào dây quấn sơ cấp sẽ sinh ra i o , i o sinh ra Φ chạy trong l i thép. Nếu i n