đồ án máy biến áp ba pha

KHÁI NIỆM VỀ MÁY BIẾN I.ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY BIẾN ÁP Để biến đổi điện áp của dòng địên xoay chiều từ điện áp cao xuống điện ápthấp, hoặc ngược lại từ điện áp thấp đến điện áp cao, ta dùng m

PhÇn I : §¹i c¬ng vÒ m¸y biÕn ¸p

CHƯƠNG I KHÁI NIỆM VỀ MÁY BIẾN

I.ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY BIẾN ÁP

Để biến đổi điện áp của dòng địên xoay chiều từ điện áp cao xuống điện ápthấp, hoặc ngược lại từ điện áp thấp đến điện áp cao, ta dùng máy biến áp.Ngày nay do việc sử dụng điện năng rất rộng rãi, nên có những loại máybiến áp khác nhau: Máy biến áp 1 pha, 3 pha, 2 dây quấn, 3 dây quấn…Nhưng chúng dựa trên cùng một nguyên lý, đó là nguyên lý cảm ứng điệntừ

 Định nghĩa : Máy biến áp là một thiết bị điện từ đứng yên,

làm việc trên nguyên lý cảm ứng điện từ, biến đổi một hệ thống dòng điệnxoay chiều ở điện áp này thành một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện

áp khác với tần số không thay đổi Hệ thống điện đầu vào máy biến áp

vẽ máy biến áp được ký hiệu như hình vẽ

Hình 1.1: ký hiệu máy biến áp

Đầu vào của máy biến áp đối với nguồn điện, được gọi là sơ cấp Đầu ranối với tải gọi là thứ cấp Các đại lượng, thông số sơ cấp trong ký hiệu có

thứ cấp W2 , điện áp thứ cấp U2 , dòng điện thứ cấp I2 , công suất thứ cấp P2

Nếu điện áp thứ cấp lớn hơn sơ cấp là máy biến áp tăng áp Nếu điện ápthứ cấp nhỏ hơn điện áp sơ cấp gọi là máy biến áp giảm áp

 Công dụng của máy biến áp:

Máy biến áp có vai trò quan trọng trong hệ thống điện, dùng để truyền tải

và phân phối điện năng Các nhà máy điện công suất lớn thường ở xa trungtâm tiêu thụ ( Khu CN, đô thị …) Vì thế cần phải xây dựng các đường dâytruyền tải điện năng Điện áp thường là 6,3; 10,5; 15,75; 38,5 KV Để nângcao khả năng truyền tải và giảm tổn hao công suất trên đường dây, phảigiảm dòng điện chạy trên đường dây, bằng cách nâng cao điện áp Vì vậyđầu đường dây cần đặt máy biến áp tăng áp Mặt khác điện áp của tảithường khoảng 127 – 500 V; Động cơ công suất lớn thường 3-6 kV, vì vậy

ở cuối đường dây cần đặt máy biến áp giảm áp (hình vẽ)

Hình 1.2 : Sơ đồ truyền tải điện đơn giản

Ngoài ra máy biến áp còn được sử dụng trong các thiết bị lò nung, tronghàn điện làm nguồn cho các thiết bị điện, điện tử cần nhiều cấp điện ápkhác nhau, trong lĩnh vực đo lường…

II NGUYÊN LÝ CẤU TẠO CỦA MÁY BIẾN ÁP

Theo hình dáng lõi thép người ta chia ra:

a Máy biến áp kiểu lõi hay kiểu trụ

Hình 2.1a Một pha Hình 2.1b Ba pha

Dây quấn bao quanh trụ lõi thép loại này hiện nay rất thông dụng cho cácmáy biến áp một pha và ba pha có dung lượng nhỏ và trung bình

b Máy biến áp kiểu bọc( hình vẽ )

c.

Hình 2.2 Máy biến áp kiểu bọc

Mạch từ được phân ra hai bên và bọc lấy một phần dây quấn Loại nàythường chỉ dùng trong một vài ngành chuyên môn như máy biến áp dùngtrong lò luyện kim hay máy biến áp một pha công suất nhỏ dùng trong kỹthuật vô tuyến và truyền thanh

d Máy biến áp kiểu trụ bọc ( hình vẽ )

Hình 2.3 Máy biến áp kiểu trụ bọc: 3 pha 1 pha

Thường ở các máy biến áp hiện đại, dung lượng lớn và cực lớn ( 80 –

100 MVA/ 1 pha ) điện áp thật cao ( 220 – 400 kV) Kiểu trụ được phânnhánh sang hai bên nên máy biến áp mang hình dáng vừa kiểu trụ, vừakiểu bọc

2.1.b Lõi thép của máy biến áp có hai phần:

Trụ và gông có thể ghép với nhau bằng phương pháp ghép nối hoặcghép xen kẽ sau đó dung xà ép và bu long vít chặt lại ( hình vẽ)

Hình 2.4 Ghép rời lõi thép máy biến áp

Hình 2.5 Ghép xen kẽ lõi thép máy biến áp ba pha

Vì lý do an toàn, toàn bộ lõi thép được nối đất với vỏ máy và vỏ máyphải được nối đất

Đối với tôn silic cán nguội dị hướng để từ thông luôn đi theo chiều cán

là chiều có từ dẫn tới, lá thép được ghép từ các lá tôn có cắt chéo mộtgóc nhất định (hv)

được sử dụng khi chiều dài lá tôn khoảng từ 0,20 – 0,35mm

Hình 2.6ghép rời tôn cản nguội máy biến áp

2.2 Dây quấn

Dây quấn là bộ phận dẫn điện của máy biến áp, làm nhiệm vụ nhậnnăng lượng vào và truyền năng lượng ra

Kim loại làm dây quấn thường bằng đồng cũng có thể bằng nhômnhưng không phổ biến.

Theo cách sắp xếp dây quấn CA và HA, người ta chia ra hai loại dâyquấn chính là: dây quấn đồng tâm và dây quấn xen kẽ

2.2.1 Dây quấn đồng tâm : Tiết diện ngang là những vòng tròn đồngtâm Dây quấn HA thường được quấn phía trong gần trụ thép, còn dâyquấn CA quấn phía ngoài bọc lấy dây quấn HA (hình vẽ )

Những kiểu dây quấn chính đồng tâm bao gồm :

+ Dây quấn hình trụ:

Dây quấn tròn nhiều lớp

2.2.2 Dây quấn xen kẽ

Các bánh dây CA và HA lần lượt xen kẽ dọc theo trụ thép Vì chế tạocách điện khó khăn kém vững chắc Về cơ học nếu các MBA kiểu trụhầu như không dùng kiểu dây quấn xen kẽ này

2.3 Vỏ Máy : bao gồm thùng và nắp thùng

2.3.1 Thùng máy biến áp: thùng máy biến áp làm bằng thép.Tuỳ theo

dung lượng của máy biến áp mà hình dáng và kết cấu thùng khácnhau.Lúc máy biến áp làm việc một phần năng lượng bị tiêu hao thoát

ra dưới dạng nhiệt đốt nóng lõi thép, dây quấn và các bộ phận khác làmcho nhiệt độ của chúng tăng lên Để đảm bảo cho máy biến áp vận hànhliên tục với tải định mức trong thời gian quy định và không bị sự cốphải tăng cường làm lạnh bằng cách ngâm máy biến áp trong thùng dầu.Đối với máy biến áp dung lượng lớn để giảm kích thước của máy vàtăng cường làm mát người ta dung bộ thùng dầu có ống hoặc thùng dầu

có bộ tản nhiệt Những máy biến áp có dung lượng trên 1000 kVAngười ta dung bộ tản nhiệt có thêm quạt gió để làm lạnh

2.3.2 Nắp thùng : dùng để đậy thùng và trên đó đặt các chi tiết như

Ngoài ra trên nắp còn đặt bộ phận truyền động của bộ đổi nối cácđầu điều chỉnh điện áp của dây quấn CA

B NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP

Ta xét sơ đồ nguyên lý của một máy biến áp một pha hai dây quấn nhưhình vẽ

Hình 2.7 Cấu tạo máy biến áp

móc vòng với cả 2 cuộn dây quấn 1 và 2 cảm ứng ra các sức điện động

truyền từ dây quấn 1 sang dây quấn 2

Giả thử điện áp xoay chiều đặt vào là một hàm số hình sin thì từ thông

2



) (2.2) Trong đó:

E1, E2 : Là giá trị hiệu dụng của các sức điện động dây quấn 1 và dâyquấn 2

Các biểu thức ( 2.1) và (2.2) cho thấy sức điện động cảm ứng trong dây

Dựa vào các biểu thức (2.3) và (2.4) người ta định nghĩa tỷ số máy biến

K = E E21 =

2

1

U U

C CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐỊNH MỨC

Các đại lượng định mức của máy biến áp quy định điều kiện kỹ thuật củamáy Các lượng này do nhà chế tạo máy quy định và thường ghi trênnhãn máy biến áp

1 Dung lượng hay công suất định mức S dm: là công suất toàn phần( hay biểu kiến) đưa ra ở dây quấn thứ cấp của máy biến áp tính bằng(kVA) hay ( VA)

2 Điện áp dây sơ cấp định mức U 1dm: là điện áp của dây quấn sơ cấptính bằng (kV) hay ( V) Nếu dây quấn sơ cấp có các đầu phân nhánh thìngười ta ghi cả điện áp định mức của từng đầu phân nhánh

3 Điện áp dây thứ cấp định mức U 2dm : là điện áp của dây quấn thứ cấpkhi máy biến áp không tải và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là địnhmức tình bằng kV hay V

4 dòng điện dây định mức sơ cấp I 1dm và thứ cấp I 2dm là những dòngđiện dây quấn sơ cấp và thứ cấp ứng với công suất và điện áp định mức,tính bằng ampe ( A) hay kiloampe ( kA) Có thể tính các dòng điện nhưsau:

Đối với máy biến áp một pha:

Ngoài ra trên nhãn của máy biến áp còn ghi những số liệu khác như : số

việc …

D CÁC LOẠI MÁY BIẾN ÁP CHÍNH

Theo công dụng, máy biến áp có thể gồm những loại chính sau đây :

1 Máy biến áp điện lực: Dùng để truyền tải và phân phối công suất

trong hệ thống điện lực

2 Máy biến áp chuyên dùng: Dùng cho các lò luyện kim, cho thiết bị

chỉnh lưu, máy biến áp hàn điện…

3 Máy biến áp tự ngẫu : Ứng dụng trong hệ thống điện lực để truyền

tải điện năng, máy biến áp tự ngẫu còn được dùng để mở máy động cơđiện không đồng bộ Máy biến áp tự ngẫu được dùng rộng rãi trongphòng thí nghiệm để thay đổi liên tục điện áp

4 Máy biến áp đo lường : Dùng để giảm các điện áp hoặc dòng điện lớn

khi đưa vào các đồng hồ đo vôn (ampe)

5 Máy biến áp thí nghiệm : Dùng để thí nghiệm các điện áp cao

E TỔ NỐI DÂY MÁY BIẾN ÁP BA PHA

Tổ nối dây của máy biến áp được hình thành do sự phối hợp kiểuđấu dây sơ cấp so với kiểu dây thứ cấp Nó biểu thị góc lệch pha giữacác s đ.đ dây sơ cấp và dây thứ cấp của máy biến áp Góc lệch pha nàyphụ thuộc vào các yếu tố sau đây:

- Chiều quấn dây

- Cách ký hiệu các đầu dây

- Kiểu đấu dây quấn ở sơ cấp và thứ cấp

2.4.1 Ký hiệu các đầu dây trong máy biến áp ba pha

Các đầu tận cùng của dây quấn mỗi pha, một đầu gọi là đầu đầu, đầu kiagọi là đầu cuối Đối với dây quấn mỗi pha có thể tuỳ ý chọn đầu đầu vàđầu cuối nhưng trong toàn bộ biến áp phải chọn một cách thống nhất.Giả sử ở dây quấn pha A đã chọn đầu đầu đến đầu cuối ngược chiều kimđồng hồ thì dây quấn các pha còn lại cũng phải chọn như vậy

Hình 2.8 Cách ký hiệu các đầu dây trong máy biến áp

Người ta quy ước cách ký hiệu các đầu dây quấn trong máy biến áp bapha theo hình vẽ

Trong một số máy biến áp ba pha dây quấn, ngoài dây quấn cao áp và hạ

áp ra còn có thêm dây quấn điện áp trung bình Người ta dùng chỉ số m

để ký hiệu cho lại dây quấn này Ở đây ba đầu dây của ba pha được kýhiệu là Am , Bm , Cm ba đầu cuối của chúng được ký hiệu là Xm , Ym , Zm

đầu trung tính được ký hiệu là

Om.

Để đơn giản và thuận tiện cho việc nghiên cứu thì , người ta thườngđánh dấu các đầu tận cùng lên sơ đồ kí hiệu dây quấn cùa máy biến ápvới quy ước sau đây

Các đầu

tận cùng

Dây quấncao áp

Bảng 2.4.1: ký hiệu các đầu dây trong máy biến áp ba pha

2.4.2 Cách đấu dây trong máy biến áp ba pha

Dây quấn của máy biến áp ba pha có thể đấu hình sao (Y) hoặ đấu tam

nhau làm thành một mối còn ba đầu A,B,C (a, b, c) để tự do ( hình vẽ a)

(a) (b) ( c)

Đấu tam giác thì đấu đầu của pha này chụm với đầu cuôí của pha kiatừng đôi một (hình vẽ b,c) Nếu đấu sao mà có thêm dây trung tính thì

áp cung cấp cho tải hỗn hợp vừa dùng điện áp dây phục vụ cho côngnghiệp vừa dùng điện áp pha phục vụ cho dân dụng

Người ta dùng một phân số để biểu thị cách đấu dây trong máy biến

quấn cao áp được đấu tam giác , còn dây quấn hạ áp đấu sao

Nếu đấu sao thì số vòng dây và cách điện mỗi pha được tính theođiện áp pha , tiết diện dây được tính theo dòng điện dây

nên giảm được kích thước dây quấn, thuận tiện cho chế tạo

Trong các các máy công suất nhỏ hoặc trung bình ( dưới 1800 KVA) dây

Ngoài ra, trong một số loại biến áp người ta còn đấu theo kiêủ ziczăc (Z) Trong kiểu này , dây quấn mỗi pha được chia làm hai nữa bố trí trênhai trụ và đấu như hình vẽ:

Hình 2.9Cách đấu ziczắc cho dây quấn máy biến áp 3 pha

Kiểu này ít được dùng vì tốn nhiều dây quấn , chỉ gặp trong các thiết bị

đo lường và chỉnh lưu

2.4.2 Các Kiểu Tổ Nối Dây Trong Máy Biến Áp Ba Pha

Tổ nối dây trong máy biến áp nói chung do kiểu đấu dây sơ cấp và kiểuđấu dây sơ cấp quyết định Nó biểu thị góc lệch pha giữa các sđđ dây sơcấp và thứ cấp Góc lệch pha này phụ thuộc vào các yếu tố sau:

-Chiều dây quấn

-Các kí hiệu đầu dây và cuối dây

-Kiểu đấu dây quấn sơ cấp và thứ cấp

Trong máy biến áp ba pha , ngoài các yếu tố trên , tổ nối dây còn phụthuộc vào cách đấu dây quấn hình sao hay tam giác Ứng với các thứ tựđấu khác nhau sẻ có góc lệch pha giữa các sđđ dây sơ cấp và thứ cấp là

300, 600 , ……360o

Trên thực tế người ta hay dùng kim đồng hồ để chỉ góc lệch pha và gọitên tổ nối dây thay cho độ Theo cách này thì kim dài của đồng hồ chỉsức điện động Dây sơ cấp đặt cố định ở số 12, Kim ngắn của nó chỉ sứcđiện động dây thứ cấp đặt tương ứng ở các số 1,2 …, 12 tuỳ theo góc

ba pha sẽ có 12 tổ nối dây

Để cụ thể hơn, hãy xét một máy biến áp ba pha có hai dây quấn cùngchiều, cũng cách ký hiệu, cũng đấu hình sao.như (hình vẽ a)

(a)

(b)

(c )Khi đó pha của sức điện động giữa hai điện áp dây hoàn toàn trùng nhau

nói, biến áp thuộ tổ nối dây 12và ký hiệu là Y/Y – 12

Nếu đổi chiều quấn dây hoặc đổi cách ký hiệu của dây quấn thứ cấp sẽ

có tổ nối dây Y/Y-6 hoán vị thứ tự các pha thứ cấp sẽ có các tổ nối dâychẵn 2, 4 , 8 , 10

Nếu bay giờ dây quấn sơ cấp đấu sao , dây quấn thứ cấp đấu tam giác

Thì góc lệch pha giữa điện áp dây của dây quấn sơ cấp và thứ cấp là

3300 Eab

(b)

Thực tế ở Việt Nam và một số nước Đông Âu chỉ sản xuất máy biến áp

III : CÁC BƯỚC TÍNH TOÁN, QUẤN LẠI MÁY BIẾN ÁP CẢM ỨNG BA PHA CÔNG SUẤT NHỎ

Để tính toán các số liệu kỹ thuật cho một máy biến áp ta thực hiện các bước sau đây:

- Tính công suất máy biến áp

- Tính tiết diện lõi sắt để tính tiết diện các cuộn dây

- Tính số lá sắt cần dùng

- Tính số vòng dây quấn của cuộn sơ cấp và thứ cấp

- Tính tiết diện và đường kính dây

- Tính khoảng trống của khung biến áp để chứa các cuộn dây( cửa sổ máy biến áp )

- Tính trọng lượng dây và lõi thép

3.1 CÔNG SUẤT MÁY BIẾN ÁP

1 Công suất định mức 1 pha của máy biến áp

Sf = m S ( VA)

Trong đó:

m: số pha của máy biến áp

S : Công suất định mức của máy biến áp

2 Công suất định mức trên một trụ

S’

t = S t = ( VA )

S’

t: số trụ của máy biến áp

S : Công suất định mức máy biến áp

S : Công suất định mức máy biến áp

G B

P

2

4 10

4 , 2

) 10 (



 =

m

t t

G

G B

P10 2

) 10000

( 4 ,

hai loại tiết diện

dây ) x tổng bề dầy của các lá sắt sử dụng

tổng bề dầy của các lá sắt sử dụng nhưng có trừ bớt khe hở giữacác lá sắt

Vì các lá sắt khi ghép lại có khe hở nên tiết diện chỉ bằng từ 85 – 93 %tiết diện đo Lá sắt càng mỏng thì sự chênh lệch càng ít

Công thức để tính tiết diện lõi sắt :

- Tiết diện đo của lõi sắt Sd = 1,32 S1 cm2

- Tiết diện thực của lõi sắt

St = 1,2 S1 cm2

+ Với máy biến áp một pha

S1 = U1.I1 (VA)+ Với máy biến áp ba pha

S1 = 3U1I1 (VA)Tiết diện thực của lõi thép có kể đến cách điện:

Tiết diện gông của máy biến áp lõi là:

Ss = ( 1,15 – 1,2 )St cm2

Đối với máy biến áp kiểu bọc :

Hình 3.1 hệsố điền đầy phụ thuộc vào chiều dầy lá thép (P)Với tiết diện là hình vuông thì cạnh a được tính bằng :

Muốn tính số lá sắt cần dùng trước hết phải chọn mẫu kiểm lá sắt

Ví dụ : Dự định dùng lá sắt chữ E thì căn cứ vào chiều ngang tự chọn rồilấy tiết diện chia cho chiều ngang, ta sẽ được tổng bề dầy của các lá sắt.Chọn chiều ngang bằng cách : đặt giả thiết rằng tiết diện, trụ sắt giữa códạng hình vuông để tìm cạnh của tiết diện đó rồi lấy chiều ngang tạmthời đó so với kích thước như trên bảng

Chiều dày thông dụng của lá sắt là 0,3mm; 0,4mm;0,5mm

Số lá sắt = Tổng bề dầy lá sắt / bề dầy một lá sắt.

Khi không đòi hỏi độ chính xác cao thì có thể dùng biểu đồ tính số vòngvôn theo tiết diện lõi sắt

Hình 3.2Biểu đồ tính số vòng vôn theo tiết diện lõi sắt



Vì vậy : W1 =

f S B

E

t t

44 , 4

10 8

f S

U

t

t

1 1

4,44.B

100

% u 0,5.

100

% 5 ,

100

% 5 ,

Điện áp không tải trên dây quấn thứ cấp

U20 = E2 = e W2

U30 = E3 = e W3

3.5 Tiết Diện Dây Quấn

quấn được bọc cách điện kiểu tráng men

chạy trong dây dẫn và tỷ lệ nghịch với mật độ dòng điện cho phép

máy biến áp làm việc liên tục mà không gây ra phát nóng nguy hiểm làmhỏng dây dẫn

Chỉ số này xác định bằng thực nghiệm

Công suất của biến áp càng nhỏ mật độ dòng cho phép càng lớn, có thểtra theo bảng sau:

Hình 3.5.1bảng tra mật độ dòng điện theo công suất tiêu thụ

Chú ý: Trong một số điều kiện trường hợp vật liệu tốt, dây dẫnmới, có làm mát, người ta có thể tăng mật độ cho phép lên 1,5 lần

(VẽBảng sau)

3.6 Cửa sổ máy biến áp

Cửa sổ có chiều cao quá lớn làm tăng dòng từ hoá, tăng trọng lượng thép.Nhưng nếu chiều cao quá bé sẽ làm tăng độ tăng nhiệt độ dây quấn vàtăng trọng lượng dây quấn

Theo kinh nghiệm thì tỷ lệ giữa chiều cao và chiều rộng cửa sổ nên chọnnhư sau:

S1 và S2 … là diện tích tiết diện của dây dẫn

Từ đó chiều rộng cửa sổ:

r0 = k

h t

( cm)Diện tích cửa sổ gần đúng là :

Với máy biến áp kiểu bọc lõi thép như h.v chỉ có một khe hở không khí

để lồng dây quấn