Giáo trình Máy điện 1 - Chương 3: Vận hành máy biến áp

Giáo trình Máy điện 1 - Chương 3: Vận hành máy biến áp giới thiệu tới người học các nội dung: Giản đồ năng lượng của máy biến áp, độ thay đổi điện áp thứ cấp của máy biến áp, các phương pháp điều chỉnh điện áp của máy biến áp, máy biến áp làm việc song song. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

và tần số không đổi Ở dây, trường hợp tải đối xứng nên xét riêng từng pha

3.1 GIẢN ĐỒ NĂNG LƢỢNG CỦA MÁY BIẾN ÁP

Khi truyền năng lượng từ phía sơ cấp sang thứ cấp, trong máy biến áp có tổn hao năng lượng Tổn hao này đốt nóng máy Ta sẽ xét sự cân bằng năng lượng trong máy biến áp dựa trên sơ đồ thay thế (hình 3-1)

Do máy làm việc trong chế độ tải đối xứng nên ta chỉ xét một pha nào đó Công suất tác dụng đưa vào một pha của máy biến áp là:

Trong đó:

1 - góc lệch pha giữa điện áp U và dòng điện 1 I1

Một phần công suất này bù vào tổn hao trên điện trở của dây quấn sơ cấp:

2 Cu1 1 1

p R I

và trên lõi thép do từ trễ và dòng điện xoáy:

2 fe fe

Phần còn lại là công suất điện từ chuyển từ sơ cấp sang thứ cấp nhờ từ trường trong lõi thép của máy biến áp lý tưởng:

Hình 3-1 Mạch điện tương đương của MBA

(qui đổi dây quấn thứ cấp về sơ cấp)

jXM

feI

Rfe

+

_

a/I

2 2

2 fe

1 Cu 1

Trong đó:

2 - góc lệch pha giữa sđđ E và dòng điện 2 I2

Công suất mà máy biến áp đưa ra phụ tải P2 nhỏ hơn công suất điện từ một lượng chính bằng tổn hao trên điện trở của dây quấn thứ cấp 2

Cu2 2 2

p  R I :

P2 = Pđt – pCu2 = U2I2cos2 (3-3) Trong đó:

2 - góc lệch pha giữa U và dòng điện 2 I2

Giản đồ năng lượng của máy biến áp như trình bày trên hình 3-2

Hiệu suất MBA là tỉ số của công suất tác dụng ra và công suất vào:

PP

P

2

2 1

2

Trong đó ppCu1pCu2pfe là

tổng tổn hao trong MBA

Ngoài công suất tác dụng, máy biến

áp còn nhận công suất phản kháng từ

lưới điện

Q1 = U1I1sin1 (3-4) Một phần công suất này dùng tạo ra

từ từ trường tản trên cuộn dây sơ cấp:

Q2 = Qđt – q2 = U2I2sin2 (3-7)

Trong đó:

2 2 2

Máy biến áp đang vận hành 50% tải định mức khi điện áp định mức và hệ số công suất của tải là 0,96 (tải R-L) Xác định : (tính theo mạch điện thay thế 2.27)

a Tổng tổn hao trong MBA

b Hiệu suất của máy biến áp

c Công suất phản kháng MBA cấp cho tải

Bài giải

a Tổng tổn hao trong MBA

Từ ví dụ 2-4, ta có kết quả:

A,,

I

I2  2i 156 251626o



A,IA,,

I'2 7811626o  '2 781

A,IA,,

j,,

Io 01130618 06297963o  o 0629



A,IA,,

I1 81120 23o  1 811

Các tổn hao trong máy biến áp :

W42,564113

,044202I

Rp

W48,14625

,156006,0IRp

W64,16311

,8488,2IRp

2 2

fe fe fe

2 2

2 2 2 Cu

2 2

1 1 1 Cu

,,

pp

p

p Cu1 Cu2 fe 16364146 48564 42874 54



b Hiệu suất của máy biến áp

Công suất đầu ra của máy biến áp :

W,

,cos

IU

P2  2 2 2 240156 2509636000 Hiệu suất MBA là tỉ số của công suất ra và công suất vào:

%6,97hay

976,054,8743600036000

pP

PP

P

2

2 1

96,0sin(cos25

,156240

)sin(cosI

Usin

IUQ

1

2

1 2

2 2 2 2 2

3.2 ĐỘ THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP THỨ CẤP CỦA MÁY BIẾN ÁP

3.2.1 Độ thay đổi điện áp

Điện áp không đổi là yêu cầu đối với các loại tải (dân dụng, kinh doanh và công nghiệp) Điện áp ra của MBA phải trong giới hạn cho phép khi tải và hệ số công suất thay đổi Yêu cầu này đặc biệt quan trọng đối với MBA phân phối khi cung cấp điện trực tiếp cho hộ tiêu thụ Do ảnh hưởng của từ thông tản và điện trở

của dây quấn, trong máy biến áp có điện áp rơi và điện áp ra thay đổi khi tải thay

đổi Hiệu số điện áp ra khi không tải và điện áp ra khi tải định mức, chia cho điện

áp ra khi tải định mức, gọi là độ thay đổi điện áp thứ cấp của máy biến áp Như

vậy:

đm 2

đm 2 20

*

U

UU



Trong đó:

U20 - điện áp thứ cấp khi không tải

U2đm - điện áp thứ cấp khi tải định mức

Điện áp không tải U20 chính bằng sđđ phía hạ áp EHA (U20 = EHA) khi máy biến áp làm nhiệm vụ giảm điện áp Từ hình 3-4a, điện áp trên phụ tải phía hạ áp được tính như sau:

nHA HA HA

Trong đó, IHA – dòng điện tải phía hạ áp

ZnHA – tổng trở ngắn mạch qui đổi về phía hạ áp HA

U – điện áp trên tải phía hạ áp HA

E – sđđ cảm ứng trong dây quấn hạ áp (=U

U   480 0  V     o

HA

I 520,83 32,86 A Theo hình 2-29b ta có:

HA nHA

HA nHA HA

4160U

UE

E

a

HA

CA HA

48053,496U

UE

U

đm

đm HA

Với cos = 0,84 vượt trước, ta có:

o HA

472,282,61oV

đm 2

đm 2 HA

*

U

UE

Như vậy khi tải có tính dung (vượt trước), điện áp ra tăng khi dòng điện phụ tải tăng Sự tăng điện áp này là do sự cộng hưởng giữa điện kháng tản của máy biến áp và điện dung của tải

Điện áp rơi trên điện trở và điện kháng tản của máy biến áp là:

Đồ thị véctơ các thành phần điện áp khi tải có tính cảm vẽ trên hình 3-3

3.2.2 Tổng trở trong hệ đơn vị tương đối

nHA

HARI

Các thông số của máy biến áp, cho bởi nhà sản xuất, ghi trên biển máy thường

ở trong hệ đơn vị tương đối Các thông số đó được định nghĩa là:

đm

đm n

*U

IZ

đm

đm n

*U

IR

đm

đm n

*U

IX

Điện áp định mức Uđm và dòng điện định mức Iđm còn gọi là điện áp cơ sở và dòng

điện cơ sở Tổng trở tương đối thường được biểu diễn theo tổng trở cơ sở:

đm

đm CS

đm

đm đm

CS

S

UU

I

UU

đm n đm

đm n

*

Z

ZZ

I

IZU

IZ

CS

n CS đm

đm n đm

đm n

*

Z

RZ

I

IRU

IR

CS

n CS đm

đm n đm

đm n

*

Z

XZ

I

IXU

IX

Chú ý là Iđm, Uđm, Rn, Xn và Zn phải lấy cùng một phía, cao áp hay hạ áp Tổng trở tương đương (hay tổng trở phần trăm) có cùng giá trị khi tính từ phía cao áp hay hạ áp Đây là ưu điểm lớn khi tính toán hệ thống lớn có nhiều máy biến áp, mỗi máy có cấp điện áp khác nhau Hệ thống đơn vị tương đối được dùng nhiều khi giải các bài toán về mạng điện có nhiều cấp điện áp khác nhau và trong giải tích mạng điện

Tổng trở tương đối, tính theo các thành phần của nó là:

2 2

X tg

= 0691 + j0,998 + 102 0,016 = 2,49923,540 Dòng điện ngắn mạch:

3.2.3 Tính độ thay đổi điện áp theo các thông số tương đối

Độ thay đổi điện áp của máy biến áp có thể tính từ hệ số công suất của tải

và các thông số trong hệ đơn vị tương đối Theo hình 3-4a ta có:

ICA HA

MI

feI

oI

HA

2 2 HA nHA

HA

2 2 HA

nHA HA

*

U

U)sinUX

I)cosU

RI





(3-23) 1

sinU

XIcos

U

RIU

2 2 HA

nHA HA 2

2 HA

nHA HA

a Độ thay đổi điện áp

b Điện áp thứ cấp khi không tải

Hình 3-4 Mạch điện thay thế (a) và đồ thị véctơ khi tải có tính cảm (b),

tính dung (c) (b)

HAjX

I

nHA

HARI

nHA

HARI

nHA

HAjXI

ICA HA

HA

ECA

E

c Điện áp vào sơ cấp để có điện áp thứ cấp bằng định mức khi tải định mức và cos = 0,75 chậm sau

đm 2 20

*

U

UU



V612)035,01(600)U1(U

Giả sử máy biến áp ở ví dụ 3-4 làm việc ở tải định mức và điện áp 600V nhưng hệ

số công suất là 0,75 vượt trước Tính (a) độ thay đổi điện áp của máy biến áp; (b) điện áp thứ cấp khi không tải; (c) điện áp vào phía sơ cấp

đm 2 20

*

U

UU



V2,591)0147,01(600)U1(U



Tỉ số điện áp nhận được từ các điện áp định mức xấp xỉ tỉ số biến đổi điện áp của máy biến áp lý tưởng trên hình 3-4a Như vậy:

II

đm

* đm

S - dung lượng trong hệ đơn vị tương đối

S - dung lượng của tải

Sđm - dung lượng định mức của máy biến áp

đm

*

I

Ik

I   - dòng điện trong hệ đơn vị tương đối (k gọi là hệ số tải)

I - dòng điện tải của MBA

Iđm - dòng điện định mức của máy biến áp

VÍ DỤ 3-6

Một máy biến áp 25kVA, 7620/480V cung cấp cho tải 10kVA có cos2 = 0,65 chậm sau Điện áp rơi phần trăm trên điện trở ngắn mạch là 1,2 và trên điện kháng ngắn mạch là 1,4 Tính độ thay đổi điện áp của máy biến áp

Bài giải

25

10S

SI

Ik

đm đm

S100RI

I100I.U

IR.I100U

R

I

* đm

* đm đm

đm

đm n đm



03,0100

2,110

25100

2,1S

4,110

25100

4,1S

Nhân tử và mẫu số công thức (3-5) cho tỉ số vòng a, ta có:

đm 1

đm 1 10 đm

2

đm 2 20

*

U

UUaU

aUaU

1I

Icos2 = kUnRcos2 (3.29)

1I

Isin2 = kUnXsin2 (3.30) Lấy (3.29) và (3.30) thay vào (3.28), sau đó thay vào (3.27), ta có:

100%

U

)sinUcos

U(k

%U

đm

2 nX 2

cosU(k

%U

đm

2 nX đm

2 nR

 U2% = k.(unR% cos2 + unX% sin2) (3.31a)

U2% = k.un% (cosn.cos2 + sinn.sin2) (3.31b)

U2% = k.un% cos(n-2) (3.31c)

trong đó, các thành phần điện áp ngắn mạch, ứng với dòng điện định mức:

n n

m đ

Từ công thức (3.31) cho thấy độ biến thiên điện áp thứ cấp U2 phụ thuộc vào

hệ số tải k và hệ số công suất của tải cos2 Quĩ tích các điểm A (U1) là đường cong (nét đứt trên hình 3-5) có bán kính ZnI1

Hình 3-5 Xác định U2 của MBA

'

2jXI

U

' 2

(n- 2)

C

VÍ DỤ 3-7

Một máy biến áp 25kVA, 7620/480V cung cấp cho tải 10kVA có cos2 = 0,65 (chậm sau) khi điện áp thứ cấp định mức và điện áp rơi phần trăm trên điện trở ngắn mạch là 1,2 và trên điện kháng ngắn mạch là 1,4, ứng với dòng điện cung cấp cho tải Tính độ thay đổi điện áp của máy biến áp và điện áp thứ cấp khi không tải

Bài giải

25

10S

SI

Ik

đm đm

%u

)U1(

VÍ DỤ 3-8

Một máy biến áp 25kVA, 7620/480V cung cấp cho tải 10kVA có cos2 = 0,65 (vượt trước) khi điện áp thứ cấp định mức và điện áp ngắn mạch của máy là un% = 4,61 và unR% = 3; unX% = 3,5 Tính độ thay đổi điện áp của máy biến áp và điện

áp thứ cấp khi không tải

Bài giải

25

10S

SI

Ik

đm đm

2



2 = arccos0,65 = -49,49o (tải có tính dung) và n = arctg(3,5/3) = 49,40

Độ thay đổi điện áp:

U2% = k.un% cos(n-2)

U2% = 0,4 x 4,61 x cos(49,40 + 49,490) = -0,285%

Điện áp thứ cấp khi không tải:

6,478480)00285,01(U

)U1(

Qua ví dụ trên cho thấy, khi tải có tính dung, điện áp trên tải tăng khi tăng tải

3.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP CỦA MÁY BIẾN ÁP

Trong thực tế, để giữ cho điện áp không đổi khi tải thay đổi ta phải điều chỉnh tỉ số biến đổi điện áp a

Người ta thường đặt các đầu phân nhánh ứng với số vòng dây khác nhau ở cuộn cao áp CA vì cuộn này có dòng điện nhỏ nên thiết bị đổi nối đơn giản Các đầu phân áp này được tính với điện áp  5%Udm hoặc  2,5%Udm và 5%Udm Cách bố trí bộ điều chỉnh điện áp như hình 3-6

3.3.1 Thay đổi số vòng dây khi máy ngừng làm việc

Phương pháp này được dùng cho các máy biến áp hạ áp khi điện áp thứ cấp thay đổi hoặc khi điều chỉnh điện áp theo đồ thị phụ tải hàng năm

Đối với máy biến áp công suất nhỏ: một pha có 3 đầu phân nhánh : ±

3.3.2 Thay đổi số vòng dây khi máy đang làm việc (điều áp dưới tải)

Trong hệ thống điện lực công suất lớn, nhiều khi cần phải điều chỉnh điện

áp khi máy biến áp đang làm việc để phân phối lại công suất tác dụng và phản kháng giữa các phân đoạn của hệ thống Các máy biến áp này có tên gọi là máy biến áp điều chỉnh dưới tải Điện áp thường được điều chỉnh từng 1% hay 1,25% trong phạm vi ± 10%Udm

Việc đổi nối các đầu phân áp trong máy biến áp điều chỉnh dưới tải phức tạp hơn và phải có cuộn kháng K (hình 3-8) để hạn chế dòng điện ngắn mạch của

bộ phận dây quấn bị nối ngắn mạch khi thao tác đổi nối Hình 3-8 cũng trình bày quá trình thao tác đổi nối từ đầu nhánh X1 sang đầu nhánh X2, trong đó T1, T2 là các tiếp xúc trượt; C, C2 là công-tắc-tơ Ở vị trí (a và c) dòng qua cuộn kháng K theo hai chiều ngược nhau nên từ thông trong lõi thép gần bằng không, điện kháng

X của cuộn kháng rất bé Trong vị trí trung gian (b) dòng ngắn mạch chạy qua K cùng chiều nên có từ thông f và X lớn, làm giảm dòng ngắn mạch In

Công-tắc-tơ C1, C2 đặt riêng trong thùng dầu phụ gắn vào vách thùng dầu, vì quá trình đóng cắt công-tắc-tơ làm bẩn đầu

Trên hình 3-9 trình bày sơ đồ nguyên lý của bộ điều áp dưới tải dùng điện trở

R Điện trở R làm chức năng hạn chế dòng điện ngắn mạch

3.4 HIỆU SUẤT CỦA MÁY BIẾN ÁP

Hiệu suất của máy biến áp được xác định bằng tỉ số của công suất tác dụng ra

và công suất vào:

f

Uf

Tổn hao trên các điện trở của cuộn cao và hạ áp có thể biểu diễn nhờ điện

trở tương đương quy đổi về phía cao áp hay phía hạ áp

2 1

2

RIpP

PP

với I và Rn là các giá trị của phía cao áp hoặc phía hạ áp

Hiệu suất của máy biến áp  = (96  99)% Máy biến áp càng lớn, hiệu suất càng cao Khi không tải, P2 = 0 nên hiệu suất  = 0

VÍ DỤ 3-8

Một máy biến áp 50kVA, 450/230V, 50Hz có điện trở phần trăm là 1,25 và điện kháng phần trăm là 2,24 Hiệu suất của máy bằng 0,965 ở điện áp định mức, tần số định mức, dung lượng định mức và cos = 0,86 chậm sau Tính (a) tổn hao công suất trong lõi thép; (b) tổn hao trong lõi thép nếu ba làm việc với dòng điện định mức, cos = 0,86 chậm sau, điện áp 375V, tần số 45Hz với giả thiết tổn hao từ trễ

bằng 0,71 tổng tổn hao trong lõi thép; (c) hiệu suất của máy trong điều kiện trên; (d) hiệu suất khi không tải

450.0125,0I

URR

50450

37550

4578,66345

50U

U50

45PP

6 , 1 6

, 1

50

45 50

, t 45

2 1

2

RIpP

PP

98,

Tính hiệu suất theo thông số thí nghiệm MBA

Trong thí nghiệm không tải và ngắn mạch, ta có:

pfe = P0 – tổn hao sắt chính là tổn hao không tải MBA

II

k  - gọi là hệ số tải của MBA



U I cos

P2 2 2Thay các tính toán trên vào công thức (3-41), ta được:

2

2 2 o 2 2 2

2 2

2

RIPsosIU

cosIU

o 2 2

2 2

RII

Pcos

U

cosU

(3-44)

Để hiệu suất cực đại với cos2 cho trước, mẫu số của (3-44) có giá trị nhỏ nhất, nghĩa là:

o n

2

Như vậy tổn hao đồng (thay đổi) = tổn hao sắt (không đổi)

Từ công thức (3-44) và (3-45), ta có hệ số tải để hiệu suất cực đại:

n

oP

P

Hiệu suất cực đại ứng với hệ số tải cực đại:

o 2

2

2 2

P2cosS

cosS

2 2 2

2

I

Icos

IU

2 đm

* 2 2

*

2 đm

*

PIPcos

SI

cosSI

VÍ DỤ 3-9

Một MBA giảm áp 3 pha có tổ nối dây Y/Yo, 160kVA, 22000/400V, 50Hz có dòng điện không tải io%= 1,7%; điện áp ngắn mạch un% = 4%; tổn hao không tải

Po = 450W; tổn hao ngắn mạch Pn = 2150W Tính :

a Dòng điện định mức, dòng không tải và hệ số công suất coso

b Điện trở và điện kháng ngắn mạch qui đổi về phía cao áp của MBA

c Hệ số tải để hiệu suất cực đại và hiệu suất ở hệ số tải này

U

SI

3



+ Sơ cấp : Iâm 4,2A

220003

160000



 + Dòng điện không tải:

A,

,

,I

%i

100

71

 + Hệ số công suất không tải :

1654007140220003

450

Pcos

o o

43100

2150I

- Tổng trở ngắn mạch :   120,95

2,4

508I

UZ

1

n 1

450P

Pk

0 2

đm

2 đm

P2cos

kS

coskS

98486,045028,01600004575

,0

8,01600004575

,0

Tính hiệu suất theo thông số MBA trong hệ đơn vị tương đối

Việc tính toán nhanh hiệu suất có thể thực hiện được nếu các thông số máy biến áp cho trong hệ đơn vị tương đối Ta có:

fe đm

đm

S

RIS

pcosS

S

cosS

* fe đm

n đm 2

đm đm

đm đm đm n 2 đm

n

2

IRU

RII

II

IIU

RIS

Bài giải

Theo (3-55), ta có:

,,

,

,cos

cos

*

*

797μ9770014600045080

80R

pφ

φη

n fe

SI

*

*

RIpcosS

cosS

979,00164,07,00045,08,07,

0

8,07,0

3.5 MÁY BIẾN ÁP LÀM VIỆC SONG SONG

3.5.1 Khái niệm chung

Trong các trạm lớn, các máy biến áp thường làm việc song song với nhau Lý

do nối máy biến áp làm việc song song là:

- Cung cấp điện liên tục cho các phụ tải

- Vận hành các máy biến áp một cách kinh tế nhất

- Máy quá lớn thì việc chế tạo và vận chuyển sẽ khó khăn

Khi các máy biến áp làm việc song song, dây quấn sơ cấp các máy biến áp nối chung vào một lưới điện và dây quấn thứ cấp cùng cung cấp cho một phụ tải Để

có thể làm việc song song, các máy biến áp phải thỏa mãn một số điều kiện nhất định, đó là:

+

_

+

Sơ đồ làm việc song song và mạch điện tương đương của hai máy biến áp như trình bày trên hình 3-10

3.5.2 Điều kiện cùng tổ nối dây

Khi các máy biến áp có cùng tổ nối dây, điện áp thứ cấp của chúng sẽ trùng

pha nhau Nếu tổ nối dây khác nhau, điện áp thứ cấp sẽ lệch pha nhau, và góc lệch pha này phụ thuộc vào tổ nối dây Ta xét máy

biến áp 1 có tổ nối dây Y/Y-12 làm việc song

song với máy biến áp 2 có tổ nối dây Y/-11

Như vậy điện áp thứ cấp hai máy sẽ lệch

pha nhau một góc 30o Trong mạch nối liền

dây quấn thứ sẽ xuất hiện một sđđ (hình 3-11):

nA nB

E I

3.5.3 Điều kiện cùng tỉ số biến đổi điện áp

Nếu tỉ số biến đổi điện áp của hai máy khác nhau mà hai điều kiện còn lại thỏa mãn thì khi máy biến áp làm việc song song, điện áp thứ cấp không tải sẽ bằng nhau (Ef2A = Ef2B), trong mạch nối liền dây quấn thứ của mba sẽ không có dòng điện chạy qua Khi tỉ số biến đổi điện áp k của hai máy khác nhau, trong máy có dòng điện cân bằng (hình 3-12a)

Như vậy trong mạch nối liền các dây quấn thứ cấp của các máy biến áp sẽ

có dòng điện Icb chạy qua:

nB nA

A A cb

ZZ

EEI