KỸ THUẬT ĐIỆN chương 6 MÁY BIẾN ÁP

Các đại lượng ứng với dây quấn thứ cấp trong ký hiệu có ghi chỉ số 2: số vòng dây thứ cấp W2, điện áp thứ cấp U2, dòng điện thứ cấp I2, công suất đưa ra P2.. - Làm mát khô: Làm mát bằng

MÁY BIẾN ÁP

CHƯƠNG VI

 Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ dùng biến đổi điện áp của dòng xoay chiều (tăng hoặc giảm) nhưng không làm thay đổi tần số của nó

 Hiện nay, máy biến áp đóng vai trò quan trọng trong hệ thống

điện, dùng để truyền tải, phân phối điện năng

 Ngoài ra còn nhiền chức năng khác tuỳ thuộc mục đích sử dụng

 Trong chương này, ta nghiên cứu cụ thể một số loại máy biến áp thông dụng

I Cấu tạo máy biến áp

1.1 Lõi thép

- Lõi thép của máy biến áp được chế tạo bằng những vật liệu có độ dẫn từ cao vì nó được dùng để dẫn từ thông chính trong máy

- Vật liệu chế tạo lõi thép là thép kỹ thuật điện (còn gọi là tôn silic)

- Để giảm tổn hao do dòng điện xoáy trong lõi (dòng Fuco), người ta không làm thành khối liền mà dùng các lá thép có chiều dày từ 0,3mm - 0,5mm, có phủ cách điện ghép

- Hình dạng khác nhau như hình chữ nhật, hình xuyến

Lõi thép EI Lõi thép UI

Lõi thép hình xuyến

Lõi thép dạng cuộn

Lõi thép được chia làm hai phần:

- Trụ từ: là nơi để đặt dây quấn,

- Gông từ: là phần khép kín mạch từ giữa các trụ Trụ từ và gông từ tạo thành mạch từ khép kín

1.2 Dây quấn

Dây quấn máy biến áp thường được chế tạo bằng dây đồng (hoặc nhôm), tiết diện chữ nhật, hoặc tròn, phía ngoài có bọc cách điện

Dây quấn gồm nhiều vòng dây quấn quanh trụ từ Giữa các vòng dây, giữa các dây quấn được cách điện với nhau và cách điện với lõi thép

Máy biến áp thường có 2 hoặc nhiều dây quấn

Dây quấn nhận điện áp vào → sơ cấp

Dây quấn đưa điện áp ra → thứ cấp

Ký hiệu dây quấn sơ cấp, thứ cấp:

Các đại lượng ứng với dây quấn sơ cấp trong ký hiệu có ghi chỉ số 1: số vòng dây sơ cấp W1, điện áp sơ cấp U1, dòng điện

sơ cấp I1, công suất vào P1

Các đại lượng ứng với dây quấn thứ cấp trong ký hiệu có ghi chỉ số 2: số vòng dây thứ cấp W2, điện áp thứ cấp U2, dòng điện thứ cấp I2, công suất đưa ra P2

Thường trong các máy biến áp có một cuộn sơ cấp, nhưng có thể có một hay nhiều cuộn thứ cấp Lúc này trong ký hiệu còn ghi thêm số cuộn Ví dụ W21, W22; U21, ;I21, I22

Khi các dây quấn đặt trên

1.3 Các phần phụ khác

Hệ thống làm mát: Nhiệt lượng sinh ra trong dây quấn và lõi thép của máy biến áp cầ được thải ra môi trường xung quanh nhằm tránh hiện tượng tăng nhiệt độ làm hỏng máy

- Làm mát khô: Làm mát bằng không khí, có loại không cưỡng bức và cưỡng bức

- Làm mát ướt: Đặt lõi thép và dây quấn trong một thùng chứa dầu máy biến áp và hệ thống tản nhiệt (đối với các máy công suất lớn)

Ngoài ra, còn có các sứ xuyên ra để đấu dây quấn ra ngoài,

có bộ phận chuyển mạch để điều chỉnh điện áp, rơle để bảo

vệ máy, bình dãn dầu, thiết bị chống ẩm

- Dòng điện sơ cấp và thứ cấp định mức: I1đm, I2đm, (A, kA)

- Ngoài ra trên biển máy còn ghi tần số định mức fđm, số pha, dòng điện không tải phần trăm, i0%, điện áp ngắn mạch phần trăm Un%, tổ nối dây

Để nghiên cứu nguyên lý làm việc của máy biến áp ta xét máy biến áp một pha hai dây quấn

Dây quấn sơ cấp có W1

vòng, dây quấn thứ cấp

có W2 vòng

Cấp điện xoay chiều,

điện áp U1 vào dây

quấn sơ cấp, sẽ có

dòng điện sơ cấp i1

Dây quấn thứ cấp nối

với tải

Dòng i1 sinh ra từ thông  biến thiên chạy trong lõi thép có chiều như hình vẽ (chiều của  thep quy tắc vặn nút chai), xuyên qua cả 2 dây quấn sơ cấp W1 và thứ cấp W2 và là từ thông chính của máy

Dòng điện i1 biến thiên theo qui luật hàm sin → từ thông  biến thiên → theo định luật cảm ứng điện từ, ở các dây quấn có sức điện động cảm ứng

Dây quấn sơ cấp → sức điện động e1

Dây quấn thứ cấp → sức điện động e2

Từ thông  biến thiên theo qui luật hàm sin

Sức điện động dây quấn sơ cấp e1

dt

) t sin (

d w dt

d w

e1   1    1 m 

) 90 t

sin(

w f 2 t

cos w

e1   1m    1m   o

) 90 t

sin(

2

f w 44 , 4

e1  1 m   o

Trị hiệu dụng của sđđ sơ cấp

m 1

1 4 , 44 w f

) 90 t

sin(

E 2

e1  1   o

Sức điện động dây quấn thứ cấp e2

dt

) t sin (

d w dt

d w

e2   2    2 m 

) 90 t

sin(

w f 2 t

cos w

e2   2m    2m   o

) 90 t

sin(

2

f w 44 , 4

e2  2 m   o

Trị hiệu dụng của sđđ thứ cấp:

m 2

2 4 , 44 w f

) 90 t

sin(

E 2

e2  2   o

Sức điện động sơ cấp và thứ cấp có cùng tần số f nhưng trị hiệu dụng khác nhau

Tỉ số trị hiệu dụng sức điện động sơ cấp và thứ cấp

k w

w E

E

2

1 2

w E

E U

U

2

1 2

1 2

1   

Tỷ số điện áp vào (sơ cấp) và điện áp ra (thứ cấp) đúng bằng tỷ số vòng dây tương ứng

k > 1 : máy biến áp hạ áp

k < 1 : máy biến áp tăng áp

Bỏ qua tổn hao trong máy, có thể coi gần đúng

2 2 1

1I U I

U 

k I

I U

U

1

2 2

1  

Xác định chiều của các đại lượng: Chiều dòng điện i1 → chiều từ thông  → Chiều sđđ e1, e2 → Chiều điện áp u2 và dòng điện i2

Ngoài từ thông chính , trong máy còn có từ thông tản Từ thông này móc vòng lấy các dây quấn và tản ra ngoài không khí

Từ thông tản sơ cấp móc vòng dây quấn sơ cấp, và được đặc trưng bởi điện cảm tản L1

1

1 t 1

1

1 1

i

d w i

2

2 2

i

d w i

3.1 Phương trình điện áp sơ cấp

Mạch sơ cấp gồm nguồn điện

Theo định luật Kiếchốp 2, ta có

phương trình điện áp sơ cấp:

1 1

1 1

1

dt

di L

R

1

1 1

1 1

dt

di L

R i

1 1 1

1

1 I R j I X E U

1

1 I Z E U

Theo định luật Kiếchốp 2, ta có

phương trình điện áp sơ cấp:

2 2

2 2

2

dt

di L

R

dt

di L

R i e

2 E I Z U

3.3 Phương trình cân bằng sức từ động

Trong phương trình điện áp sơ cấp điện áp rơi trên dây quấn I1Z1 thường rất nhỏ nên có thể gần đúng U1 = E1

Do điện áp đặt vào biến áp U1 không đổi nên E1=

4,44fW1max cũng không đổi vậy max cũng không đổi Chế độ không tải (I2=0), dòng sơ cấp lúc này là dòng

không tải I0 nên sức từ động sơ cấp là i0 W1 sinh ra từ thông chính

Khi máy biến áp mang tải (I20), lúc này sức từ động của máy là i1W1 + i2W2 sinh ra từ thông chính của máy

Do từ thông chính max không đổi nên sức từ động lúc không tải bằng sức từ động của máy lúc có tải:

2 2 1

1 1

1

2 2

1 o

w w

1 i

i w

w i

i

i    

' 2 1

2 1

k

1 i i

i    

Dạng phức:

' 2 1

Hệ phương trình đặc trưng cho máy biến áp (phương trình cân bằng điện áp sơ cấp, thứ cấp và phương trình cân bằng

0

2 2 2

2

1 1

1 1

I I

I

Z I E

U

E Z

I U

Từ hệ phương trình đặc trưng, xây dựng mô hình toán học, còn được gọi là sơ đồ thay thế của máy biến áp

4.1 Quy đổi các đại lượng thứ cấp về sơ cấp

Do dây quấn sơ cấp và thứ cấp liên hệ với nhau qua mạch từ, phải thực hiện phép quy đổi từ phía thứ cấp về sơ cấp để có liên hệ trực tiếp về điện

2 2

2 2

2 2 2

k

1 Z k E

k Z

I k E

k U

Phương trình cân bằng điện áp thứ cấp qui đổi về sơ cấp:

' 2

' 2

' 2

2

' 2

'

k

1 E k I

4.2 Thiết lập sơ đồ thay thế máy biến áp

Trong hệ phương trình đặc trưng, (-E1) chính là điện áp rơi trên tổng trở Zth đặc trưng cho từ thông chính và tổn hao sắt từ

Từ thông chính do dòng điện không tải I0 sinh ra nên:

th 0

th th

0

1 I ( R jX ) I Z E

Rth là điện trở từ hoá đặc trưng cho tổn hao sắt từ

Xth là điện kháng từ hoá đặc trưng cho từ thông chính 

Thay giá trị tổng trở từ hóa vào hệ phương trình:

0

' 2

' 2

' 2

'

2

1 1

1 1

I I

I

Z I E

U

E Z

I U

0

' 2

' 2 th

0

' 2

th 0

1 1 1

I I

I

Z I Z

I U

Z I Z

I U

Theo định luật Kiếchốp 1 và 2 thì hệ ba phương trình này

chính là viết cho mạch điện có 2 nút và 3 nhánh (hoặc 2 vòng) bởi vì có 1 phương trình theo định luật 1 và 2 phương trình theo định luật 2

Tổng trở từ hóa Zth rất lớn so với các tổng trở dây quấn sơ cấp Z1

và thứ cấp Z2, nên có thể đơn giản hóa sơ đồ thay thế:

Các tổng trở dây quấn sơ cấp Z1 và thứ cấp qui đổi về sơ cấp Z2’

nối tiếp trên nhánh nên có thể biến đổi tương đương:

Rn = R1 + R’2 là điện trở ngắn mạch của máy biến áp

Xn = X1 + X’2 là điện kháng ngắn mạch của máy biến áp

( I Z

I Z

I E

Z I

U 1  0 1   1  0 1  0 th  0 1  th

) Z Z

(

Z0  1  th

Tổng trở không tải của máy biến áp

Đặc điểm chế độ không tải:

- Dòng điện không tải I0

th 1

2 th 1

1 0

1 0

X X

R R

U Z

U I

1

2 0

Công suất P0 do tổn hao trên điện trở dây quấn sơ cấp

PR1(tổn hao đồng dây quấn sơ cấp lúc không tải) và tổn hao sắt từ Pst

- Công suất phản kháng không tải Q0 rất lớn so với P0

,

0 X

R

R cos

2 0

2 0

5.2 Thí nghiệm không tải

Thí nghiệm không tải xác định hệ số biến áp k, tổn hao sắt từ

và các thông số không tải của máy

Sơ đồ thí nghiệm: V1, V2 đo điện áp sơ cấp và thứ cấp; A đo dòng điện không tải; W đo công suất tác dụng không tải

Điện áp đặt vào máy là điện áp định mức U1đm

Thông số tính được từ kết quả thí nghiệm:

- Hệ số biến áp:

2

1 2

1

U

U w

I

%

I

đm 1

I

P

R 

Do R0 = R1 + Rth và Rth » R1 Rth  R0

- Tổng trở không tải:

0

đm 1 0

2 0

- Hệ số công suất không tải:

0 đm 1

0 0

I U

P cos  

6.1 Chế độ ngắn mạch

Máy biến áp đang làm việc, đột nhiên phía thứ cấp bị nối tắt lại trong khi phía sơ cấp vẫn nối với điện áp nguồn gọi là chế độ ngắn mạch

Tổng trở nhánh từ hóa rất lớn hơn tổng trở dây quấn thứ cấp qui đổi về sơ cấp nên có thể bỏ nhánh từ hóa (dòng điện nhánh rất nhỏ)

Sơ đồ thay thế của máy biến áp chỉ còn tổng trở ngắn mạch

Dòng điện sơ cấp được gọi là dòng ngắn mạch In

- Dòng điện ngắn mạch In

2 n

2 n

1 n

1 n

X R

U Z

U I

Để tránh điều này người ta phải dùng các máy tự động cắt

mạch ở cả 2 phía sơ cấp khi bị sự cố ngắn mạch, quá tải

6.2 Thí nghiệm ngắn mạch

Thí nghiệm ngắn mạch xác định tổn hao trên các điện trở dây

quấn sơ cấp và thứ cấp, các thông số ngắn mạch của máy

Để tránh chế độ ngắn mạch, trong thí nghiệm ngắn mạch ta phải đưa vào điện áp ngắn mạch Un bằng cách tăng bộ phận điều chỉnh điện áp từ 0 đến khi dòng điện ở dây quấn sơ cấp bằng dòng định mức

Các dụng cụ đo: A1, A2 đo dòng điện sơ cấp và thứ cấp; V đo điện áp ngắn mạchi; W đo công suất tác dụng ngắn mạch

Điện áp Un nhỏ, từ thông trong mạch từ nhỏ, có thể bỏ qua

tổn hao sắt từ

Công suất đo được ở thí nghiệm ngắn mạch Pn chính là tổn hao trong điện trở 2 dây quấn sơ cấp và thứ cấp (điện trở ngắn mạch)

Thông số tính được từ kết quả thí nghiệm:

đm 1

n n

n n

R1  '2  n

2

X X

X1  '2  n

- Thông số dây quấn thứ cấp:

2

' 2 2

n n

n

n n

I U

P I

U

P cos   

Quan hệ giữa 2 thành phần điện áp ngắn mạch biểu diễn bằng tam giác tương tự với tam giác tổng trở ngắn mạch

đm 1 n

nR R I

U  UnX  XnI1đm Un  ZnI1đm

Điện áp ngắn mạch (dạng phần trăm %) có thể tính theo các đại lượng Zn, Rn, Xn, Sđm, U1đm, I1đm:

100 U

S

Z 100

đm n

đm 1

đm 1 n

%

100 U

S

R 100

U

I

R cos

U

đm 1

đm n

đm 1

đm 1 n n

% n

%

100 U

S

X 100

U

I

X sin

U

đm 1

đm n

đm 1

đm 1 n n

% n

%

Có thể tính Zn, Rn, Xn theo Un%, UnR%, UnX% thường được ghi trong lí lịch máy

Hệ số tải đánh giá mức độ mang tải của máy so với định mức:

đm 2

2 đm

1

1 t

I

I I

I

Các chế độ tải của máy:

k < 1 → máy non tải

k = 1 → máy ở tải định mức

k > 1 → máy quá tải Một số đặc tính của máy khi mang tải → đặc tính ngoài của máy biến áp

7.1 Độ lệch điện áp thứ cấp khi mang tải - đường đặc tính ngoài

U

U U

đm 2

2 đm

2

% 2







100 U

U

U 100

kU

kU

kU U

đm 1

' 2 1

đm 2

2 đm

2

% 2



'

2

1 I I



n

1 X I



'

2

1 I I



n

1 X I

U1   U1  U'2  OK  OA  AK

t n

1

t I R cos cos

AB

t n

1

t I X sin sin

BC

100 U

sin X

I cos

R

I 100

U

U

U U

đm 1

t n

1 t

n 1 đm

1

2 1

sin X

I cos

R

I I

I

U

đm 1

t n

đm 1 t

n đm 1 đm 1 1

I

R U

đm 1

đm 1 n

đm 1

đm 1 n

%

nX đm

1

1 t

Nếu tính chất của tải không

đổi (cost = const), độ lệch

U2% tỉ lệ bậc nhất với kt

và phụ thuộc tính chất của

tải

Đồ thị ΔU2% = f(kt)

Đặc tính ngoài của máy biến áp là đường biểu diễn quan hệ

U2 = f(I2) khi U1 = U1đm; cost = const

2 đm

2 2

đm 2 2

U

U 1

U U

U U

Đồ thị điện áp thứ cấp

Tải dung (C) kt tăng thì U2 tăng

Tải cảm (L) và trở (R) kt tăng thì U2

giảm (tải cảm U2 giảm nhiều hơn)

Có thể điều chỉnh điện áp trên tải

đến trị số mong muốn bằng cách

thay đổi số vòng dây, thường ở dây

quấn cao áp vì ở đó dòng điện nhỏ

nên dễ thực hiện

Các máy biến áp cho phép điều chỉnh số vòng dây trong phạm vi  5% nhờ chuyển mạch

Từ mạch điện thay thế ta có thể vẽ được giản đồ năng lượng trong máy biến áp

Công suất điện đưa vào P1

Tổn hao trên điện trở dây quấn sơ cấp Pđ1

1 1



Tổn hao trong lõi thép Pst

0 th

2 0

2 st

1 đ 1

2 1

' 2

2 ' 2 2

2 2 2

Giản đồ năng lượng

trong máy biến áp

Tổng tổn hao trên điện trở hai dây quấn ΔPđ

2 1

2 1

' 2

2 1 1

2 1 2

đ 1

2 đm 1 2

đm 1

2 1 n

2 1

I

I R

I



2 t 0

t đm

t

t đm

t đ

st 2

2 1

2

P k P

cos S

k

cos S

k P

P P

P P

Máy biến áp thường được làm việc với phụ tải trung bình kt = 0,50,7 Nhằm giảm tổn hao, thường máy biến áp có hiệu suất cực đại khi tải nằm trong khoảng tải trung bình

5 ,

0 P

Đồ thị hiệu suất máy biến áp

theo hệ số mang tải: η = f(k t )

VIII Máy biến áp ba pha

8.1 Cấu tạo của máy biến áp ba pha

Có thể dùng ba máy biến áp một pha ghép lại để tạo thành một máy biến áp ba pha

Máy biến áp ba pha loại này được gọi là loại máy biến áp ba pha có mạch từ độc lập

Máy biến áp ba pha có mạch

từ khép kín gọi là máy biến

áp ba pha có mạch từ liên

quan

Loại này có ba trụ và dây

quấn ba pha quấn trên ba trụ

Ký hiệu dây quấn của máy biến áp ba pha

Dây quấn cao áp: Pha A (A,X), pha B (B, Y), pha C (C, Z)

Dây quấn hạ áp: Pha A (a, x), pha B (b, y), pha C (c, z)

Dây quấn trung áp (nếu có): Pha A (Am, Xm), pha B (Bm, Ym), pha C (Cm, Zm)

Các lượng định mức của máy biến áp ba pha

• Điện áp định mức U1đm, U2đm: điện áp dây

• Dòng điện định mức I1đm, I2đm: dòng điện dây

• Công suất Sđm: công suất toàn phần ba pha

• Điện áp ngắn mạch phần trăm Un%; điện áp dây

• Dòng điện không tải phần trăm I0%: dòng điện dây

• Các tổn hao P0, Pn: công suất tác dụng ba pha

• Điện trở, điện kháng, tổng trở: tính cho một pha

8.2 Các kiểu nối dây của máy biến áp ba pha

- Dây quấn sơ cấp và thứ cấp có thể nối theo hình sao (Y) hoặc hình tam giác ()

- Ký hiệu cách nối dây: Cách nối sơ cấp/cách nối thứ cấp

- Hệ số biến áp pha kp: Tỷ số điện áp pha sơ cấp – thứ cấp

2

1 p

2

p 1 p

w

w U

U

- Hệ số biến áp dây kd: Tỷ số điện áp dây sơ cấp – thứ cấp

d 2

d 1 d

U U

Biến áp nối Y/Y Biến áp nối Δ/Δ Biến áp nối Y/Δ

Tổ nối dây máy biến áp ba pha

- Tổ nối dây cho biết góc lệch pha giữa điện áp dây sơ cấp và thứ cấp

- Ký hiệu tổ nối dây: Bằng chữ số đằng sau cách nối dây quấn

sơ cấp và thứ cấp Có 12 tổ nối dây tương ứng với góc lệch

360o, như vậy mỗi đơn vị của tổ nối dây tương ứng với góc lệch 30o

- Ví dụ: Tổ nối dây Y/Δ – 11: cho biết dây quấn sơ cấp nối Y, dây quấn thứ cấp nối Δ và góc lệch giữa điện áp dây tương ứng của sơ cấp và thứ cấp là 30o x 11 = 330o

+ Dịch chuyển véc tơ điện áp dây tương ứng của thứ cấp về

vị trí kim giờ (góc dịch chuyển tương ứng sơ cấp)

+ Số chỉ giờ mà kim giờ chỉ bằng tổ nối dây

Khi xác định đồ thị điện áp dây, cần chú ý chiều quấn dây và ký hiệu đầu pha

Trong trường hợp không rõ chiều quấn dây của sơ cấp và thứ cấp có thể coi cùng chiều quấn, lúc này chỉ quan tâm đến ký hiệu đầu pha

- Ví dụ: Xác định tổ nối dây của

máy biến áp ba pha có sơ đồ nối

dây hình bên

Vẽ đồ thị véc tơ điện áp dây quấn

sơ cấp (điện áp pha → điện áp

dây) UAB

Vẽ đồ thị véc tơ điện áp dây quấn

thứ cấp (điện áp pha → điện áp

dây) Uab

Quay véc tơ điện áp dây UAB 30o theo chiều kim đồng hồ để chỉ số 12 Quay véc tơ điện áp dây Uab tương ứng 30o theo chiều kim đồng hồ, như vậy sẽ chỉ số 11

Tổ nối dây sẽ là 11

IX Máy biến áp làm việc song song

Khi cần công suất lớn (phụ tải tăng), cần phải đặt thêm máy biến

áp mới và nối song song với máy biến áp đang làm việc

Các máy biến áp làm việc song song có ý nghĩa:

+ Cho phép công suất lưới điện lớn hơn nhiều so với công suất mỗi máy

+ Cho phép nâng cao hiệu quả kinh tế của hệ thống điện

+ Đảm bảo cung cấp điện liên tục, định kỳ bảo dưỡng, sửa

chữa các máy biến áp

Khi tải giảm xuống có thể cho một số máy nghỉ để các máy còn lại mang tải định mức, nâng cao được hiệu suất của các máy

cũng như hệ số công suất của lưới điện