cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy biến áp

Cấu tạo nguyên lý làm việc máy biến áp 1.1 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CƠ BẢN CỦA MÁY BIẾN ÁP i1 i2 u1 e u2 Zt φ Hình 1-1: Sơ đồ nguyên lý máy biến áp pha Ta xét sơ đồ nguyên lý làm việc máy biến áp pha hai dây quấn: Dây quấn có w1 vòng dây Dây quấn có w2 vòng dây Được quấn lỏi thép Khi đặt điện áp xoay chiều u1 vào dây quấn có dòng điện i1 dây quấn 1, dòng điện i1 sinh sức từ động F=i1.w1 sức từ động sinh từ thơmg φ móc vòng hai dây quấn 1và Theo định luật cảm ứng điện từ cuộn dây 1và xuất sức điện động cảm ứng e1 e2 dây quấn nối với tải bên ngồi zt dây quấn có dòng điện i2 đưa tải với điện áp u2 Như lượng dòng điện xoay chiều truyền từ dây quấn sang dây quấn Giả thiết điện áp đặt vào hàm số hình sin từ thơng sinh hàm số hình sin Φ = Φ m = sin (ωt ) (1-1) Do theo định luật cảm ứng điện từ, sức điện động cảm ứng cuộn dây 1và e1 = − w1 dΦ m sin(ωt ) dΦ π π = − w1 = − w1ωΦ m sin(ωt + ) = − E1 sin(ωt + ) dt dt 2 e = − w2 dΦ m sin(ωt ) dΦ π π = − w2 = − w ωΦ m sin(ωt + ) = − E sin(ωt + ) dt dt 2 Trong : E1 = ω.w1 Φ m E2 = ω.w2 Φ m = 4.44 f w1 Φ m = 4.44 f w2 Φ m Là giá trị hiệu dụng sức điện động dây quấn Các sức điện động cảm ứng dây quấn chậm pha so với từ thơng góc π Người ta định nghiã tỷ số biến áp máy biến áp sau: k= E1 U ≈ E2 U Nếu bỏ qua điện áp rơi dây quấn coi E1 ≈ U , E2 ≈ U k xem tỷ số điện áp dây quấn 1và 1.3 ĐỊNH NGHĨA MÁY BIẾN ÁP Từ nguyên lý làm việc ta định nghĩa máy biến áp sau: Máy biến áp thiết bị điện từ đứng yên, làm việc nguyên lý cảm ứng điện từ, biến đổi hệ thống dòng điện xoay chiều điện áp thành hệ thống dòng điện xoay chiều điện áp khác, với tần số khơng thay đổi Máy biến áp có hai dây quấn gọi máy biến áp hai dây quấn Dây quấn nối với nguồn điện để thu lượng vào gọi dây quấn sơ cấp Dây quấn nối với tải để đưa điện gọi dây quấn thứ cấp Dòng điện, điện áp, cơng suất dây quấn theo tên sơ cấp thứ cấp tương ứng Dây quấn có điện áp cao gọi dây quấn cao áp Dây quấn có điện áp thấp gọi dây quấn hạ áp Nếu điện áp thứ cấp bé điện áp sơ cấp ta có máy biến áp giảm áp, điện áp thứ cấp lớn điện áp sơ cấp gọi máy biến áp tăng áp Ở máy biến áp ba dây quấn, ngồi hai dây quấn sơ cấp thứ cấp có dây quấn thứ ba với điện áp trung bình Máy biến áp biến đổi hệ thống dòng điện xoay chiều pha gọi máy biến áp pha, máy biến áp biến đổi hệ thống dòng điện xoay chiều ba pha gọi máy biến áp ba pha Máy biến áp ngâm dầu gọi máy biến dầu, máy biến áp không ngâm dầu gọi máy biến áp khơ, máy biến áp có ba trụ nằm mặt phẳng gọi máy biến áp mạch từ phẳng, máy biến áp với ba trụ nằm không gian gọi máy biến áp mạch từ không gian 1.4 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐỊNH MỨC Các đại lượng định máy biến áp qui định điều kiện kỹ thuật máy Các đại lượng nhà máy chế tạo qui định thường ghi nhãn máy biến áp - Dung lượng hay công suất định mức Sđm: cơng suất tồn phần (hay biểu kiến ) đưa dây quấn thứ cấp máy biến áp, tính kilơ vơn –ampe (KVA) hay vôn-ampe (VA) - Điện áp dây sơ cấp định mức U1đm: điện áp dây quấn sơ cấp tính kilôvôn (KV) hay vôn (V) Nếu dây quấn sơ cấp có đầu phân nhánh người ta ghi điện áp định mức đầu phân nhánh - Điện áp dây thứ cấp định mức U2đm: điện áp dây dây quấn thứ cấp máy biến áp không tải điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp định mức, tính kilơ vơn (KV) hay vơn(V) - Dòng điện dây định mức sơ cấp I1đm thứ cấp I2đm: dòng điện dây dây quấn sơ cấpp thứ cấp ứng với cơng suất điện áp định mức, tính kilôampe (KA) hay ampe (A) - Tần số định mức fđm: tính Hz Thường máy biến áp điện lực có tần số cơng nghiệp 50 Hz hay 60 Hz Ngoài nhãn máy biến áp điện lực ghi số liệu khác như; số pha m, sơ đồ tổ nối dây quấn, điện áp ngắn mạch un%, chế độ làm việc (dài hạn hay ngắn hạn ), phương pháp làm mát Khái niệm “ định mức “ bao gồm tình trạng làm việc định mức máy biến áp mà không ghi nhãn máy như: hiệu suất định mức, độ tăng nhiệt định mức, nhiệt độ định mức môi trường xung quanh 1.5 CẤU TẠO CỦA MÁY BIẾN ÁP Máy biến áp có phận sau đây: lõi thép, dây quấn vỏ máy 1.5.1 Lõi thép Lõi thép dùng làm mạch dẫn từ, đồng thời làm khung để quấn dây quấn Theo hình dáng lõi thép người ta chia - Máy biến áp kiểu lõi hay kiểu trụ: Dây quấn bao quanh trụ thép Loại thông dụng cho máy biến áp pha ba pha có dung lượng nhỏ trung bình Hình 1-2: Máy biến áp kiểu lõi 1pha , 3pha - Máy biến áp kiểu bọc Mạch từ phân hai bên “ bọc “ lấy phần dây quấn Loại thường dùng vài nghành chuyên môn đặc biệt máy biến áp dùng lò điện, luyện kim, hay máy biến áp pha công suất nhỏ dùng kỹ thuật vơ tuyến điện, âm Hình 1-3: Máy biến áp kiểu bọc - Máy biến áp kiểu trụ bọc Ở máy biến áp đại, dung lượng lớn cực lớn (80- 100 MVA pha ), điện áp thật cao (220-400 kV), để giảm chiều cao trụ thép, tiện lợi cho việc vận chuyển, mạch từ máy biến áp kiểu trụ phân sang hai bên nên máy biến áp mang hình dáng vừa kiểu trụ vừa kiểu bọc - Máy biến áp mạch từ không gian Mạch từ máy biến áp phân bố không gian Loại máy biến áp chế tạo cho loại máy biến áp có cơng suất nhỏ trung bình 1.5.2 Cấu tạo lõi thép Lõi thép máy biến áp gồm hai phần: phần trụ phần gông Trụ phần lõi thép có dây quấn, gơng phần lõi thép nối trụ lại với thành mạch từ kín khơng có dây quấn ( máy biến áp kiểu bọc máy biến áp kiểu trụ – bọc hai trụ phía ngồi thuộc gơng ) Để giảm tổn hao dòng điện xốy gây nên, lõi thép ghép từ thép kỹ thuật điện có bề dày (0,27-0,35 mm) có phủ sơn cách điện bề mặt Trụ gơng ghép với phương pháp ghép nối ghép xen kẽ Ghép nối trụ gơng ghép riêng, sau dùng xà ép bu lơng vít chặt lại Ghép xen kẽ tồn lõi thép phải ghép đồng thời thép xếp xen kẽ với theo trình tự a, b a b Hình 1-4: Ghép xen kẽ lõi thép máy biến áp ba pha Sau ghép, lõi thép vít chặt xà ép bu lơng Phương pháp phức tạp song giảm tổn hao dòng điện xốy gây nên bền phương diện học, hầu hết máy biến áp dùng kiểu ghép Do dây quấn thành hình tròn, nên tiết diện ngang trụ thép thường làm thành hình bậc thang gần tròn Gơng từ khơng có dây quấn, đó, để thuận tiện cho việc chế tạo tiết diện ngang gơng làm đơn giản: hình chữ nhật , hình chữ thập hình chữ T Để đảm bảo an toàn: toàn lõi thép nối đất với võ máy võ máy phải nối đất 1.5.3 Dây quấn Dây quấn phận dẫn điện máy biến áp, làm nhiệm vụ thu lượng vào truyền lượng Kim loại làm dây quấn thường đồng, dùng dây quấn nhôm không phổ biến Theo cách xếp dây quấn cao áp hạ áp, người ta chia hai loại dây quấn chính: dây quấn đồng tâm dây quấn xen kẽ - Dây quấn đồng tâm Dây quấn đồng tâm tiết diện ngang vòng tròn đồng tâm Dây quấn hạ áp thường quấn phía gần trụ thép, dây quấn cao áp quấn phía ngồi bọc lấy dây quấn hạ áp Với cách quấn giảm bớt điều kiện cách điện dây quấn cao áp Trong dây quấn đồng tâm lại có nhiều kiểu khác nhau, dây quấn hình trụ, dây quấn hình xoắn, dây quấn xốy ốc liên tục - Dây quấn xen kẽ Các bánh dây quấn cao áp hạ áp xen kẽ dọc theo trụ thép 1.5 Võ máy Võ máy gồm hai phận thùng nắp thùng - Thùng máy biến áp Thùng máy làm thép Tùy theo dung lượng máy biến áp mà hình dáng kết cấu thùng khác Lúc máy biến áp làm việc, phần lượng bị tiêu hao thoát dạng nhiệt đốt nóng lõi thép, dây quấn phận khác làm cho nhiệt độ chúng tăng lên Để đảm bảo cho máy biến áp vận hành liên tục với tải định mức thời gian qui định không bị cố, phải tăng cường làm lạnh cách ngâm máy biến áp thùng dầu Đối với máy biến áp dung lượng lớn để giảm kích thứơc máy tăng cường làm mát, người ta dùng loại thùng dầu có ống thùng dầu có gắn tản nhiệt Những máy biến áp có dung lượng 10000 kVA, người ta dùng tản nhiệt có thêm quạt gió để tăng cường làm lạnh - Nắp thùng Dùng để đậy thùng đặt chi tiết máy quan trọng Các sứ đầu dây quấn cao áp hạ áp Làm nhiệm vụ cách điện dây dẫn với võ máy Bình giãn dầu, ống bảo hiểm Ngồi nắp đặt phận truyền động cầu dao đổi nối đầu điều chỉnh điện áp dây quấn cao áp 1.6 TỔ NỐI DÂY CỦA MÁY BIẾN ÁP Để máy biến áp làm việc dây quấn pha sơ cấp thứ cấp phải nối với theo qui luật xác định Ngoài ra, phối hợp kiểu nối dây quấn sơ cấp thứ cấp hình thành tổ nối dây quấn khác Hơn nữa, thiết kế máy biến áp, việc qui định tổ nối dây quấn phải thích ứng với kết cấu mạch từ để tránh tượng không tốt sức điện động pha không sin, tổn hao phụ tăng v.v Trước nghiên cứu tổ nối dây máy biến áp ta xét cách ký hiệu đầu dây cách đấu dây quấn pha với 1.6.1 Cách ký hiệu đầu dây Các đầu tận dây quấn máy biến áp, đầu gọi đầu đầu, đầu gọi đầu cuối Đối với máy biến áp pha tùy chọn đầu đầu đầu cuối Đối với máy biến áp ba pha , đầu đầu đầu cuối phải chọn cách thống nhất: giả sử dây quấn pha A chọn đầu đầu đến đầu cuối theo chiều kim đồng hồ ( hình vẽ ) dây quấn pha B, C lại phải chọn Điều cần thiết, pha ký hiệu ngược điện áp dây lấy tính đối xứng Hình 1-5: Cách qui ước đầu đầu đầu cuối dây quấn máy biến áp Điện áp dây không đối xứng ký hiệu ngược Để thuận tiện cho việc nghiên cứu người ta thường đánh dấu lên sơ đồ dây quấn máy biến áp với qui ước sau Dây quấn cao áp Các đầu tận (CA) Dây quấn hạ áp Đầu đầu A,B,C (HA) a,b,c Đầu cuối X,Y,Z x,y,z Đầu dây trung tính O hay N o hay n Đối với máy biến áp ba dây quấn hai dây quấn sơ cấp thứ cấp có dây quấn điện áp trung Dây quấn ký hiệu sau: đầu đầu chữ Am, Bm, Cm; đầu cuối chữ Xm, Ym, Zm đầu trung tính chữ Om 1.6.2 Các kiễu đấu dây quấn Dây quấn máy biến áp đấu ( ký hiệu dấu “ Y “ ) hay hình tam giác ( ký hiệu dấu “ D” hay “ Δ ” ) Đấu ba đầu X, Y, Z nối lại với nhau, ba đầu A, B, C để tự Nếu đấu có dây trung tính ký hiệu dấu “ Yo” Đấu tam giác đầu cuối pha nối với đầu đầu pha theo thứ tự AX – BY – CZ – A, theo thứ tự AX – CZ – BY – A Các máy biến áp công suất, thường dây quấn cao áp đấu Y, dây quấn hạ áp đấu tam giác, làm phía cao áp, điện áp pha nhỏ lần so với điện áp dây, giảm chi phí điều kiện cách điện; phía hạ áp dòng điện pha nhỏ lần so với dòng điện dây, làm nhỏ dây dẫn thuận tiện cho việc chế tạo Ngoài hai kiểu đấu dây trên, dây quấn máy biến áp đấu theo kiểu zic – zăc ( ký hiệu chữ “ Z” ) lúc pha gồm hai cuộn dây hai trụ khác nối tiếp mắc ngược Kiếu đấu thường dùng tốn nhiều đồng 1.6.3 Tổ nối dây máy biến áp Tổ nối dây máy biến áp hình thành phối hợp kiểu đấu dây quấn sơ cấp so với kiểu đấu dây quấn thứ cấp Nó biểu thị góc lệch pha sức điện động dây quấn sơ cấp dây quấn thứ cấp máy biến áp Góc lệch pha phụ thuộc vào yếu tố sau - Chiều quấn dây - Cách ký hiệu đầu dây - Kiểu đấu dây quấn sơ cấp thứ cấp Để thuận tiện người ta khơng dùng “độ” để góc lệch pha mà dùng phương pháp kim đồng hồ để biểu thị gọi tổ nối dây máy biến áp Cách biểu thị sau: kim dài đồng hồ sức điện động dây sơ cấp đặt cố định số 12, kim ngắn sức điện động dây thứ cấp đặt tương ứng với số 1, 2, , 12 tùy theo góc lệch pha chúng 30, 60, , 360o Như theo cách ký hiệu máy biến áp ba pha có 12 tổ nối dây Trong thực tế sản xuất nhiều máy biến áp có tổ nối dây khác bất tiện cho việc vận hành chế tạo, nước ta sản xuất máy biến áp điện lực có tổ nối dây sau Đối với máy biến áp pha có tổ I/I-12, máy biến áp ba pha có tổ nối dây Y/Yo-12 ,Y/d-11, Yo/d-11 1.7 Những tượng xuất từ hóa lõi thép Khi từ hóa lõi thép máy biến áp, mạch từ bão hòa làm xuất tượng mà số trường hợp tượng ảnh hưởng đến tình trạng làm việc máy biến áp Khi máy biến áp làm việc không tải ảnh hưởng tượng bão hòa mạch từ lớn Nghiã đặt vào dây quấn sơ cấp điện áp hình sin, dây quấn thứ cấp hở mạch Sự ảnh hưởng tượng bão hòa mạch từ với máy biến áp pha ba pha có khác Đối với máy biến áp ba pha ảnh hưởng tượng bão hòa mạch từ phụ thuộc vào kiểu dáng mạch từ tổ nối dây máy biến áp 1.7.1 Máy biến áp pha Điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp sinh dòng điện khơng tải io chạy nó, dòng điện khơng tải io sinh từ thơng φ chạy lõi thép máy biến áp Giả sử điện áp đặt vào hai đầu cuôn dây sơ cấp có dạng u=Umsin ω t bỏ qua điện áp rơi điện trở dây quấn, u=-e =w thơng sinh biến thiên hình sin theo thời gian dφ nghĩa từ dt π φ = φ m sin(ωt − ) Nếu không kể đến tổn hoa lõi thép dòng điện khơng tải io túy thành phần dòng điện phản kháng dùng để từ hóa lõi thép io=iox Do quan hệ φ = f (io ) quan hệ từ hóa B=f(H) Theo lý thuyết sở kỹ thuật điện tượng bão hòa mạch từ, φ hình sin, i0 khơng sin mà có dạng nhọn đầu trùng pha với φ , nghĩa dòng điện io ngồi thành phần sóng io1 có thành phần sóng điều hòa bậc cao: bậc 3, 5, , , thành phần sóng bậc io3 lớn đáng kể cả, thành phần khác khơng đáng kể bỏ qua Nếu mạch từ bảo hòa io nhọn đầu thành phần sóng bậc cao lớn đặc biệt thành phần sóng bậc ba Khi có kể đến tổn hao lõi thép quan hệ φ = f (io ) quan hệ từ trễ B(H) Khi dòng điện từ hóa gồm hai thành phần, tác dụng phản kháng, io có dạng nhọn đầu vượt trước φ góc α Góc α lớn hay bé tùy thuộc mức độ trể B H nhiều hay ít, nghĩa tổn hao từ trễ lõi thép nhiều hay ít, α gọi góc tổn hao từ trể Trên thực tế Ior