Giáo trình Máy điện 1 - Chương 5: Máy biến áp đặc biệt

Giáo trình Máy điện 1 - Chương 5: Máy biến áp đặc biệt giới thiệu tới người đọc các nội dung: MBA quấn dây, máy biến áp tự ngẫu, máy biến áp đo lường, máy biến áp hàn hồ quang. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN BỘ MÔN: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP MÁY ĐIỆN 2008 Chương MÁY BIẾN ÁP ĐẶC BIỆT 5.1 MBA BA DÂY QUẤN MBA ba dây quấn MBA có dây quấn sơ hai dây quấn thứ, dùng để cung cấp điện cho lưới điện có điện áp khác nhau, ứng với tỉ số biến đổi : a 12  1 U U1 N1 U N ; a 13    U2 N2 U3 N3 I1 31 T 21 I (5.1) I 3 U 2 U Hình 5.1 MBA ba dây quấn Ưu điểm MBA ba dây quấn so với MBA hai dây quấn : Giá thành sản xuất rẻ MBA hai dây quấn Mặt chiếm chỗ bé Liên tục truyền tải lượng từ dây quấn sơ sang hai dây quấn thứ truyền từ dây quấn thứ nầy sang dây quấn thứ khác Tổn thất lượng bé MBA hai dây quấn khoảng chừng hai lần Khuyết điểm MBA ba dây quấn so với MBA hai dây quấn : Độ tin cậy MBA ba dây quấn bé MBA hai dây quấn cố MBA phía thứ cấp hai lưới điện Việc bố trí đầu MBA ba dây quấn phức tạp MBA hai dây quấn Cũng máy biến áp hai dây quấn, người ta chế tạo máy biến áp ba dây quấn theo kiểu tổ máy biến áp ba pha máy biến áp ba pha ba trụ, pha đặt ba dây quấn hình 5.1 Tiêu chuẩn tổ nối dây MBA ba dây quấn Y0/Y0/-12-11 tổ MBA ba pha hay MBA ba pha ba trụ Y0//-11-11 Theo qui định tiêu chuẩn công suất chế tạo MBA ba dây quấn: S1đm/S1đm S2đm/S1đm S3đm/S1đm 1 1 2/3 2/3 2/3 (1 2/3 1) 5.1.1 Phương trình bản, mạch điện thay thế, đồ thị vectơ MBA dây quấn Quá trình điện từ MBA ba dây quấn mô tả mhư MBA hai dây quấn, tất đại lượng hai dây quấn thứ 2, quy đổi số vòng dây quấn sơ: I '2  I N N2 N N ; I 3'  I 3 ; U '2  U ; U 3'  U N1 N1 N2 N3 Cũng MBA hai dây quấn, dòng từ hóa MBA ba dây quấn nhỏ xác định : I  I '  I '  I  (5.2) I Sđđ hổ cảm : E  E '2  o với Ym = Gfe - jBm Ym Điện kháng tản dây quấn: X1  L t1 ; X  L t ; X  L t Điện kháng tản: X1, X2, X3 điện kháng tản tương đương dây quấn, tìm thấy có tính đến ảnh hưởng dây quấn khác (Ngẫu hợp từ thơng tản) Phương trình cân điện áp MBA ba dây quấn :   E  I jX  R I  E  Z I U 1 1 1 1 ' ' ' ' ' ' '   E  I jX  R I  E  Z' I ' U 2 2 2 2 ' ' ' ' ' ' ' '   E  I jX  R I  E  Z I ' U 3 3 3 (5.3) 3 Z3’ Z1 I1 1 U I '2 Z2’ I Zm 2 U I 3' 3 U Hình 5.2 Sơ đồ thay MBA dây quấn Tổng trở nhánh từ hoá Zm tìm tính tốn thí nghiệm Các tổng trở Z1,Z’2,Z’3, xác định từ thí nghiệm ngắn mạch (hình 5.3) như: Zn12 = Z1 + Z’2 = rn12 + jxn12 Zn13 = Z1 + Z’3 = rn13 + jxn13 Zn23 = Z’2 + Z’3 = rn23 + jxn23 Giải hệ phương trình ta tìm :Z1 , Z’2 , Z’3 Z1= (Zn12 + Zn13- Zn23); Z’2= (Zn12+ Zn23- Zn13); (5.4) (5.5) Z’3= (Zn13+ Zn23- Zn12) 2 Un Z1 Un 1 3 3 Z2’ Z2’ Un Z2’ Z1 Z1 Z3’ Z3’ Z3’ Un Un Un Hình 5.3 Sơ đồ mạch điện thay thí nghiệm ngắn mạch MBA ba dây quấn Từ đồ thị vectơ MBA ba dây quấn (hình 5-4), ta thấy U’2 khơng phụ thuộc vào I’2 mà phụ thuộc vào I’3 Và U’3 phụ thuộc vào I’3 mà phụ thuộc vào I’2 jx’2I’2 jx1I1 U’3 r’2I’2 U’2 E’2 I’2 Để giảm ảnh hưởng nầy ta cần giảm tổng trở Z1 cách đặt cuộn dây vào dây quấn 3, lúc x1 có giá trị âm I1  I0 I’3 Hình 5-4 Đồ thị vectơ MBA dây quấn 5.1.2 Độ thay đổi điện áp thứ cấp MBA ba dây quấn Dây quấn : U  U '2 U *12  1dm U1dm = unr*12 cos2 + unx*12 sin2 + unr*(3) cos3 + unx*(3) sin3 (5.6) Trong đó: R I' X I' R I' X I' u nr*12  n12 ; u nx*12  n12 ; u nr*(3)  ; u nx*(3)  ; U1dm U1dm U1dm U1dm Dây quấn : U1dm  U 3' U *13  U1dm Trong đó: = unr*13 cos3 + unx*13 sin3 + unr*(2) cos2 + unx*(2) sin2 (5.7) R n13I 3' X n13I 3' ; u nx*13  ; u nr*13  U1dm U1dm u nr*( 2) R 1I '2 ;  U1dm u nx*( 2) X1I '2 ;  U1dm I2 , I3 : dòng điện tải cos2 ,cos3 : hệ số công suất 5.2 MÁY BIẾN ÁP TỰ NGẪU MBA tự ngẫu loại MBA mà ngồi liên hệ từ có liên hệ trực tiếp với điện dây quấn sơ cấp dây quấn thứ cấp Về cấu tạo nguyên lý làm việc MBA tự ngẫu tương tự MBA thông thường, khác cách đấu dây hai cuộn dây sơ cấp thứ cấp Trên hinh 5-3a, trình bày MBA tự ngẫu có cuộn dây với đầu rẽ (có thể nhiều đầu) Nếu MBA tự ngẫu vận hành giảm áp dây quấn thứ phận dây quấn sơ, tăng áp dây quấn sơ phận dây quấn thứ; hình 5-3b, ta nối MBA tự ngẫu vận hành giảm áp dây quấn thứ cấp phần dây quấn sơ cấp, ta gọi: NCA = số vòng dây phía điện áp cao NHA = số vòng dây phía điện áp thấp Tỉ số biến áp là: U CA N CA  U HA N HA U HA  U CA N HA N CA Ở MBA tự ngẫu, ta thay đổi vị trí tiếp điểm trượt, thay đổi số vòng dây NHA thay đổi điện áp UHA Vì máy biến áp tự ngẫu dùng để điều chỉnh điện áp liên tục MBA tự ngẫu pha công suất nhỏ dùng phòng thí nghiệm thiết bị điện có yêu cầu điều chỉnh điện áp liên tục MBA tự ngẫu ba pha thường dùng để điều chỉnh điện áp mở máy động điện không đồng ba pha công suất lớn nhằm giảm dòng điện mở máy dùng để liên lạc hệ thống điện có cấp điện áp gần : 110-220; 220-500; 330-750 kV Ngoài MBA tự ngẫu dùng rộng rãi làm nguồn cho thiết bị điện sinh hoạt Còn khuyết điểm MBA tự ngẫu dây quấn cao áp dây quấn hạ áp không cách ly điện nên độ an toàn thấp Chẳng hạn, máy tự biến áp bị cố đoạn ax hình 5.7, đoạn nầy bị đứt gần tải chịu toàn điện áp cao áp, nguy hiểm, nên vận hành với lưới điện trung tính MBA tự ngẫu phải nối đất khơng khơng an tồn; điện áp un nhỏ nên dòng điện In tương đối lớn; MBA tự ngẫu yêu cầu cách điện cao MBA thường Trên hình 5-6a trình bày MBA hai dây quấn, dây quấn sơ cấp có 80 vòng nối với nguồn có điện áp 240V dây quấn thứ cấp có 20 vòng nối với tải có điện trở 1 Điện áp dòng điện dây quấn sơ cấp thứ cấp trình bày hình 5-6a, tỉ số biến áp xác định từ: 15A 60A Tải 240V ~ NB NB=20vg NA=80vg NA 45A 15A 60A Tải 240V ~ 20vg 80vg (b) Hình 5-6 Sơ đồ MBA hai dây quấn (a) nối lại thành MBA tự ngẫu pha vận hành giảm áp (b) N CA N A 80   4 N HA N B 20 U 240 U HA  CA   60 V a U 60 I HA  HA   60 A Zt I 60 I CA  HA   15A a Trên dây quấn sơ cấp ta lấy đầu với số vòng số vóng dây quấn thứ cấp 20 vòng hình 5-6b Trong MBA lý tưởng từ thơng móc vòng cảm ứng sđđ 20 vòng dây quấn B 20 vòng đầu dây quấn A Cực tính, điện áp dòng điện đầu vào giống MBA hai dây quấn, ta trích đầu phần dây quấn cao áp 20 vòng dây quấn thứ cấp MBA hai dây quấn, trình bày hình 5-6b Thử nghiệm hình 5-6b cho thấy, dòng điện qua tải 60A gồm 15A dòng điện truyền dẫn trực tiếp 45A dòng điện thơng qua làm việc MBA Như từ sơ đồ cho thấy, truyền tải lượng từ sơ cấp qua thứ cấp máy tự biến áp tự ngẫu hai đường: điện điện từ Còn máy biến áp thơng thường có dây quấn sơ cấp thứ cấp a riêng biệt, lượng từ sơ cấp truyền qua thứ cấp điện từ Vì máy tự biến áp có ưu điểm máy biến áp hai dây quấn: với kích thước máy tự biến áp truyền công suất qua nhiều hơn, hiệu suất cao hơn, sụt áp điện áp ngắn mạch un nhỏ Tuy nhiên UCA UHA chênh q nhiều ưu điểm khơng đáng kể, nên MBA tự ngẫu dùng tỉ số biến áp nhỏ 3:1 Quan hệ tỉ số vòng cơng suất MBA tự ngẫu Hình 5.6b trình bày kiểu nối dây MBA tự ngẫu Ta thấy công suất truyền tải MBA tự ngẫu gồm hai thành phần: Truyền qua nhờ từ trường lõi thép Truyền dẫn trực tiếp Dung lượng thiết kế MBA tự ngẫu dung lượng truyền dẫn nhờ từ trường: Stkế = E1I1 = E2I2 (5.8) Dung lượng MBA tự ngẫu truyền qua lúc vận hành thực tế : Sttải = UCAICA = UHAIHA (5.9) Tỉ số vòng MBA tự ngẫu (như MBA hai dây quấn, hình 5-7): N U E I a    (5.10) N U E I1 Tỉ số biến đổi địên áp lưới điện : N U I a '  CA  CA  HA (5.11) N HA U HA I CA Thường tỉ số a’ < 2,5, MBA tự ngẫu sử dụng lưới điện có cấp điện áp gần 110-220kV; 220-500kV; 330-750kV Xét tỉ số công suất : Stk ( U  U HA )I CA E1I1   CA  1 (5.12) S tt U CA I CA U CA I CA a' Như kiểu MBA tự ngẫu có lợi cơng suất thiết kế MBA nên dùng thực tế VÍ DỤ 5-2 Một MBA tự ngẫu pha vận hành giảm áp, dây quấn cao áp CA có 400 vòng, hạ áp HA 25% số vòng dây quấn cao áp, cấp điện cho phụ tải có tính cảm 4,8kVA, cos = 0,85 (chậm sau), điện áp vào 2400V, 60Hz Bỏ qua tổn hao từ thông tản máy, xác định: (a) dòng điện tải; (b) dòng điện vào; (c) dòng điện cuộn dây chung; (d) công suất truyền dẫn trực tiếp công suất thiết kế (truyền dẫn thông qua từ trường MBA) Bài giải ICA a Sơ đồ trình bày hình 5-7 E2 I2 a Dòng điện tải (HA): IHA U2,N2 x UCA A E1 I1 U1,N1 X Hình 5.7 Sơ đồ MBA tự ngẫu pha theo VD 5-2 UHA N CA 400  4 N HA 0,25  400 U 2400 U HA  CA   600 V a S 4800 I HA  tt   8A H HA 600 b Dòng điện cao áp CA: S 4800 I CA  tt   2A H CA 2400 c Dòng điện cuộn dây chung (thiết kế): I  I HA  I CA    6A d Công suất: - Công suất truyền dẫn trực tiếp: Std  U I1  600   1200 VA - Công suất thiết kế: Stk  U I  600   3600 VA a 5.3 MÁY BIẾN ÁP ĐO LƯỜNG 5.3.1 Máy biến điện áp Máy biến điện áp (hình 5.6a) dùng để biến điện áp cao thành điện áp nhỏ để đo lường điều khiển Công suất máy biến điện áp 251000VA U1 A X a x U1 u U’ U2 V W (a) (b) (c) Hình 5.6 Máy biến điện áp Máy biến điện áp có dây quấn sơ nối với lưới điện dây quấn thứ nối với Vôn mét, cuộn dây áp Watt kế, cuộn dây rơle bảo vệ, thiếc bị điều khiển khác (hình 5.6b) Các loại dụng cụ nầy có tổng trở Z lớn nên máy biến điện áp xem làm việc chế độ khơng tải, sai số trị số nhỏ : U2 U%  N1  U1 N2 100 U1 (5.14) Góc u U1 U’2 (hình 5.6c) nhỏ Cấp xác sai số mbđa : Cấp xác Sai số U Sai số u 0.5  0.5%  20’  1%  40’  3% K qui định Chú ý : Khi sử dụng mbđa không nối tắt mạch thứ cấp nối tắt mạch thứ cấp tương đương nối tắt mạch sơ cấp nghĩa gây cố ngắn mạch lưới điện 5.3.2 Máy biến dòng điện : Máy biến dòng điện dùng để biến dòng điện lớn thành dòng điện nhỏ để đo lường dụng cụ đo tiêu chuẩn điều khiển Cơng suất Máy biến dòng điện : 5100VA I1 I2 A (a) I1 i I’2 W (b) (c) Hình 5.7 Máy biến dòng điện Máy biến dòng điện (hình 5.7a) có dây quấn sơ gồm vòng dây mắc nối tiếp với mạch cần đo dòng dây quấn thứ gồm nhiều vòng dây nối với ampe mét, cuộn dây dòng Watt mét, cuộn dây rơle bảo vệ, thiếc bị điều khiển khác (hình 5.7b) Các loại dụng cụ nầy có tổng trở Z bé nên máy biến dòng điện làm việc trạng thái ngắn mạch, lõi thép máy biến dòng điện khơng bão hòa  = (0.81)Wb, sai số đo lường trị số nhỏ : N2  I1 N1 i%  100 I1 Góc i I1 I’2 (hình 5.7c) nhỏ I2 (5.15) Cấp xác sai số máy biến dòng điện : Cc xác Ssố I S.số i 0.2  0.2%  10’ 0.5  0.5%  40’  1%  80 10  3% 10% K qui định Chú ý : Khi sử dụng máy biến dòng điện khơng dể dây quấn thứ hở mạch dòng từ hóa I0 = I1 lớn lõi thép bão hòa nghiêm trọng nóng lên làm cháy dây quấn, từ thông đầu sinh sđđ nhọn đầu dây quấn thứ xuất điện áp cao hàng nghìn vôn làm cho dây quấn thứ người sử dụng khơng an tồn 5.4 MÁY BIẾN ÁP HÀN HỒ QUANG Là loại máy biến áp đặc biệt dùng để hàn phương pháp hồ quang điện Máy chế tạo có điện kháng tản lớn cuộn dây thứ cấp nối với điện kháng ngồi K để hạn chế dòng điện hàn Vì đường đặc tính hàn dốc, phù hợp với yêu cầu hàn điện (hình 5.8) Cuộn dây sơ cấp nối với nguồn điện, cuộn dây thứ cấp đầu nối với cuộn điện kháng K nối tới que hàn, đầu nối với kim loại cần hàn Khe hở khơng khí U1 K Hình 5.8 Sơ đồ máy biến áp hàn hồ quang Máy biến áp làm việc chế độ ngắn mạch ngắn hạn dây quấn thứ cấp Điện áp thứ cấp định mức máy biến áp hàn thường 60  80V Khi dí que hàn vào kim loại, có dòng điện lớn chạy qua làm nóng chỗ tiếp xúc Khi nhấc que hàn cách kim lọai khoảng nhỏ, cường độ điện trường lớn làm ion hóa chất khí, sinh hồ quang tỏa nhiệt lượng lớn làm nóng chảy chỗ hàn Để điều chỉnh dòng điện hàn, thay đổi số vòng dây dây quấn thứ cấp máy biến áp hàn thay đổi điện kháng cách thay đổi khe hở khơng khí lõi thép K sun từ    CÂU HỎI ÔN TẬP Đặc điểm cấu tạo, nguyên lý công dụng MBA ba dây quấn Đặc điểm cấu tạo công dụng MBA từ ngẫu So sánh MBA tự ngẫu MBA hai dây quấn công suất Sự khác nối thuận nối ngược dùng máy biến áp tự ngẫu Tại máy biến áp tự ngẫu lại nối thuận? Vẽ mạch điện MBA tự ngẫu giảm áp nối với tải trình bày mơi liên hệ điện áp dòng điện dây quấn Đặc điểm vận hành máy biến dòng điện Đặc điểm vận hành máy biến điện áp    BÀI TẬP Bài tập 5-1 Một MBA ba pha ba dây quấn nối Yo/Yo/-12-11; 10000/6667/10000 kVA; 121/38,5/11kV; un12% = 15; un13% = 10,5; un23% = 6; unR12% = 1; unR13% = 0,65; un23% = 0,8 Xác định (a) tham số vẽ mạch điện thay đơn giản MBA Phía cao áp nối với nguồn, phía điện áp trung bình có tải 3000kVA cos2 = 0,8; dây quấn điện áp thấp có tải 6000kVA cos3 = 0,8 Tính (b) u12% u13% Đáp số: a R1 = 3,29 ; R’2 = 11,35 ; R’3 = 6,23 ; X1 = 87,20 ; X’2 = 161,29 ; X’3 = 66,25  b u12% = 5,7 u13% = 5,22 Bài tập 5-2 Một MBA ba pha hai dây quấn Sđm =3200kVA; 35/6kV; 52,5/307,5A; Y/Y-12; un% = 6,94; unR% = 1,04; pfe = 9,53kW; Pn = 32,5kW Bây đem nối lại thành MBA tự ngẫu Trình bày (a) cách nối dây MBA hai dây quấn thành MBA tự ngẫu Tính (b) cơng suất tồn phần truyền dẫn trực tiếp công suất thiết kế MBA; (c) hiệu suất MBA tải định mức với cos = 0,8; (d) dòng điện ngắn mạch MBA tự ngẫu Đáp số: a Nối hình 5-7 b Stt = 21867 kVA; SCA = 3200 kVA; SHA = 3200 kVA; c  = 99,76% d In = 30188A Bài tập 5-3 Một MBA tự ngẫu pha có điện áp 2300/450V, f=60Hz, vận hành giảm áp cung cấp cho tải có tổng trở 210o  Bỏ qua tổn hao từ thơng tản máy, xác định: (a) dòng điện tải; (b) dòng điện vào phía cao áp; (c) dòng điện (biến đổi điện áp) cuộn dây chung; (d) cơng suất tồn phần truyền dẫn trực tiếp cơng suất biến đổi (thiết kế) qua MBA Đáp số: (a) 225A; (b) 44,02A; (c) 180,98A; (d) 81,45kVA, 19,8kVA Bài tập 5-4 Một MBA tự ngẫu pha vận hành tăng áp có tỉ số biến đổi điện áp a’=4 nối với nguồn có điện áp 600V Phía cao áp nối với tải có cơng suất 100kVA, hệ số cơng suất 0,8 ( chậm sau) Bỏ qua tổn hao từ thông tản máy, vẽ mạch điện xác định: (a) điện áp phía thứ cấp; (b) dòng điện tải, (c) dòng điện cuộn dây sơ; (d) dòng điện cuộn dây sơ cấp Bài tập 5-5 Một MBA tự ngẫu pha có tổng số vòng 600, dây quấn thứ cấp 200 vòng Phía cao áp nối với nguồn có điện áp 2400V, f = 50Hz Dây quấn thứ nối với tải có cơng suất 4,8kVA, hệ số cơng suất 0,6 ( chậm sau) Bỏ qua tổn hao từ thông tản máy, xác định (a) điện áp phía thứ cấp; (b) dòng điện sơ cấp thứ cấp; (c) cơng suất tồn phần truyền dẫn trực tiếp; (d) công suất thiết kế MBA; (d) từ thông cực đại lõi thép Đáp số: (a) 800V; (b) 2A, 6A; (c) 1600VA; (d) 3200VA; (e) 0,015Wb Bài tập 5-6 Một MBA tự ngẫu pha có cơng suất 100kVA, 440/240V, 60Hz cung cấp cho tải trở công suất 8kW, 240V động 10hp, 240V, 60Hz Động vận hành 90% tải, cos =0,86 chậm sau, hiệu suất 88% Bỏ qua tổn hao từ thông tản máy, tính (a) cơng suất tồn phần mà nguồn cung cấp cho MBA; (b) cơng suất tồn phần truyền dẫn trực tiếp công suất thiết kế MBA    ... MÁY BIẾN ÁP ĐO LƯỜNG 5.3 .1 Máy biến điện áp Máy biến điện áp (hình 5.6a) dùng để biến điện áp cao thành điện áp nhỏ để đo lường điều khiển Công suất máy biến điện áp 25 10 00VA U1 A X a x U1 u... Yo/Yo/ -1 2 -1 1 ; 10 000/6667 /10 000 kVA; 12 1/38,5 /11 kV; un12% = 15 ; un13% = 10 ,5; un23% = 6; unR12% = 1; unR13% = 0,65; un23% = 0,8 Xác định (a) tham số vẽ mạch điện thay đơn giản MBA Phía cao áp nối... MBA tự ngẫu giảm áp nối với tải trình bày mơi liên hệ điện áp dòng điện dây quấn Đặc điểm vận hành máy biến dòng điện Đặc điểm vận hành máy biến điện áp    BÀI TẬP Bài tập 5 -1 Một MBA ba pha