GIÁO TRÌNH MÁY ĐIỆN I - Phần II Máy biến áp - Chương 2 ppt

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 định dùng tổ nối dây quấn cũng phả

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 định 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 định 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

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 hình 2.3b ) Dây quấn đấu Y 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

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)

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

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 bị 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 thị góc lệch pha giữa s.đ.đ dây sơ cấp và thứ cấp của máy biến

Muốn xác định 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 3600 (I/I-12); Hai trường hợp sau là 1800 (I/I-6)

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 300, 600, 3600

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 thị và gọi tên tổ nối dây của MBA

Kim dài của đồng hồ chỉ điện áp dây sơ cấp đặt cố

định 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 300, 600, 900 3600

Hình2.7 Phương pháp kí hiệu tổ nối dây theo phương pháp kim đồng hồ

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 vị 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 vị 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/Y0-12, Y/∆-11 và Y0/∆-11 Phạm vi ứng dụng của chúng được ghi trong bảng dưới đây:

400

Y/ ∆ −11 Y/Y-12

560

≤ 1800

≤ 1800

≤

§ 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 io 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 io, io 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

Nghĩa là từ thông cũng biến thiên hình sin theo thời gian:

t sin U

dt

d w e

⎟

⎞

⎜

⎛ω π Φ

=

-α Nếu bỏ qua tổn hao trong lõi thép:

- io thuần túy là dòng điện phản kháng

để từ hóa lõi thép io = iox Do đó quan

hệ Φ = f(io) chính là quan hệ từ hóa B =

f(H) Dựa vào đường Φ = f(io) ứng với

mỗi giá trị tức thời của Φ = f(t) ta dễ

dàng tìm được trị số io tương ứng và vẽ

được đường biểu diễn io = f(t)

- Ta thấy do hiện tượng bão hòa

của lõi thép, nếu Φ là hình sin, io sẽ

không sin mà có dạng nhọn đầu và trùng Hình2.9 Bỏ qua ảnh hưởng của từ trễ

Φ = f (i0)

Φ = f (t)

i0 = f (t)

i01

i03

i05

i0

pha với Φ Nghĩa là io ngoài thành phần sóng cơ bản io1 còn có các thành phần sóng điều hòa bậc cao io3, io5, io7,… Trong đó thành phần io3 lớn nhất và đáng kể hơn cả, còn các thành phần khác rất bé có thể bỏ qua Ta có thể xem chính io3 làm cho

io có dạng nhọn đầu, cũng từ lí luận ấy ta thấy nếu mạch từ càng bão hòa io càng nhọn đầu

β Nếu kể đến tổn hao trong lõi thép: thì quan hệ Φ = f(io) là quan hệ từ trễ B = f(H)

Từ quan hệ Φ = f(t) và Φ = f(io) ta vẽ được đường biểu diễn quan hệ io = f(t) Từ đường cong io = f(t) cho ta thấy nếu Φ là hình sin thì io 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 io vượt trước Φ một góc α:

Hình2.10 Ảnh hưởng của từ trễ đến dòng điện

i : Thành phần dòng điện phản kháng để

b) Máy biến áp 3 pha:

Khi không tải nếu xét từng pha riêng lẻ thì dòng điện bậc 3 trong các pha là:

i03A = i03m sin 3ωt

i03B = i03m sin 3 (ωt - 120) = i03m sin 3ωt

i03C = i03m sin 3 (ωt - 240) = i03m sin 3ωt

Dòng điện trùng pha nhau về thời gian, nghĩa 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)

i03

i03 i03

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 io 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 Φ1 và các sóng điều hòa bậc cao Φ3 , Φ5

các thành phần điều hòa lớn hơn 3 là rất nhỏ nên

ta có thể bỏ qua chỉ vẽ Φ1 và Φ3 (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 Φ1 Do thép có từ trở bé nên Φ3 = (15 ÷ 20)% Φ1, thì e3 = (45 ÷ 60)% e1 do đó e = e1 + e3 sẽ có dạng nhọn đầu như h c Nghĩa 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 bị 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 trị 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

khép mạch từ trụ này qua trụ khác mà bị đẩy ra ngoài

khép mạch từ gông này đến gông kia qua không khí

hoặc dầu là môi trường có từ trở lớn, Φ3 không lớn lắm

nên có thể coi s.đ.đ pha là hình sin Song cần chú ý

Φ3 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

Φ3C

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 io3 khép kín trong ∆

đó io có io3 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, io3 không có nên Φcó dạng vạt đầu nghĩa là có từ thông bậc 3: Φ3λ , Φ3λ sẽ cảm ứng trong dây quấn thứ cấp s.đ.đ bậc 3: E23 chậm sau Φ3λ

90o Đến lượt E23 gây ra dòng điện bậc 3 trong mạch vòng thứ cấp nối ∆ I23 Vì điện khác (X) dây quấn lớn nên có thể xem I23 chậm sau E23 = 90o Rõ ràng là I23 sẽ sinh

ra từ thông thứ cấp Φ3δ (coi như trùng pha với I23) gần như ngược pha với Φ3λ Do đó từ thông tổng bậc 3 : Φ/

3 = Φ3λ + Φ3δ gần như bị 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

Câu hỏi

1 Tổ nối dây của máy biến áp là gì? Sự cần thiết phải xác định 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 định 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

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