Tài liệu Kỹ thuật điện_ Phần 1.5 pdf

Có một yêu cầu rất quan trọng là: khi các biến áp làm việc song song nếukhông tải, thì chỉ có dòng rất nhỏ chạy phía sơ cấp các biến áp và khi có tải phảiđảm bảo phân tải đều giữa các máy biến áp Khái niệm phân tải đều ở đây là taphải đảm bảo phân tải tỷ lệ với công suất định mức của từng máy, tránh có máylàm việc quá tải lại có máy làm việc chưa đến tải Công suất từ các biến áp đưa đếntải phải là tổng số học các công suất của từng biến áp, điều này đòi hỏi dòng cácbiến áp phải cùng pha với nhau.

5.2 Điều kiện để các biến áp làm việc song song và phương pháp kiểmtra các điều kiện ấy.

Để các máy biến áp làm việc song song với nhau phải thoả mãn các điều kiện sau:

1-Điện áp định mức phía sơ cấp các biến áp phải bằng nhau;2-Điện áp định mức phía thứ cấp phải bằng nhau;

3-Tổ nối dây các biến áp phải giống nhau;

4-Các trụ đấu dây cùng tên phải được nối vào cùng một dây.

Chúng ta hãy xét hậu quả xảy ra khi các biến áp làm việc song song mà một trong nhứng điều kiện trên không thoả mãn.

a-Khi điều kiện 1 và 2 không thoả mãn Để giải thích các hiện tượng xảy ra

trong biến áp ta sử dụng đặc tính ngoài của biến áp (hình 5.1)

Từ hình vẽ ta thấy rằng do đặc tính ngoài của 2 biến áp khác nhau(khôngtrùng nhau) nên khi làm việc song song, điện áp các biến áp bằng nhau nhưng dòngchạy qua các biến áp khác nhau, máy có đặc tính ngoài thấp sẽ tải ít hơn máy cóđặc tính ngoài cao Trong trường hợp này khi ngắt tải khỏi biến áp, trong 2 biến áp

Hình 5.1 Đặc tính ngoài của 2 biến áp làm việc song song.U2

UI20

vẫn có dòng cân bằng chạy giữa 2 cuộn thứ cấp vì UII20>UI

20 Lúc này biến áp 1 làtải của biến áp 2.

b-Khi nối nhầm trụ đấu dây ví dụ: pha A máy I nối vào trụ A nhưng pha B

của máy II lại nối vào trụ này, lúc bấy giờ 2 cuộn thứ cấp của biến áp sẽ chịu điệnáp dây nên xuất hiện dòng cân bằng lớn.

Những biến áp có tổ nối dây khác nhau cũng có thể làm việc song songđược, nhưng phải đảm bảo sự bằng nhau về giá trị và pha của điện áp được mắcvào cùng một trụ đấu dây Để kiểm tra điều này ta dùng phương pháp gương soi.Nội dung của phương pháp như sau: khi tổ đấu dây của 2 biến áp khác nhau, tadựng sao điện áp của chúng, rồi dùng một gương, soi sao điện áp của một biến ápvào gương Nếu ảnh của sao biến áp này giống sao của biến áp kia, thì chúng làmviệc song song được với nhau Ví dụ: 2 biến áp có tổ nối dây Dy-5 và Dy-11 có thểlàm việc song song được với nhau Muốn kiểm tra điều này ta dùng phương phápgương soi (hình 5.2).

Qua kiểm tra ta thấy 2 biến áp này làm việc được với nhau, chỉ có điều phaa của biến áp Dy-11 phải nối với trụ nối dây pha c của biến áp Dy5, còn pha c củabiến áp Dy-11 phải nối với trụ nối dây pha a của Dy-5.

Khi có khi 2 máy biến áp làm việc song song thì: U’I

1=U’II2

Và ZngmIII = ZngmIIIII do đó: I

IZZS 

Từ đây ta thấy để phân chia tải tỷ lệ với công suất định mức các biến áp,thì điện áp ngắn mạch của biến áp phải bằng nhau vì khi 2 máy biến áp làm việcsong song với nhau thì máy biến áp nào có điện áp ngắn mạch lớn sẽ có dòng tảinhỏ (vì Ungm lớn thì U2 nhỏ do đó dòng tải nhỏ và ngược lại).

Khi hai biến áp làm việc song song, thì biến áp có công suất lớn nên chọnbiến áp có điện áp ngắn mạch nhỏ để có thể sử dụng được toàn bộ công suất củamáy này

Vì một điều kiện nào đó, phải làm việc song song 2 biến áp có điện ápngắn mạch khác nhau thì nên mắc nối tiếp với máy biến áp có điện áp ngắn mạchnhỏ một cuộn kháng.

Để công suất ra bằng tổng số học công suất từng máy, nên chọn 2 biến áp

khác nhau nên dòng sẽ lệch pha nhau.

Sự chuyển từ trạng thái ổn định này sang trạng thái ổn định khác là sự thayđổi năng lươịng chứa ở trong từ trường và điện trường của toàn mạch Vì mạch cómột quán tính nhất định, cho nên sự thay đổi năng lượng không thể xảy ra tức thời,mà phải sau một thời gian nhất định Số đo quán tính của mạch là độ tự cảm L.Quá trình quá độ bị dập tắt dần do năng lượng bị tiêu tán ở điện trở R Với mạch Rvà L thì thời gian quá độ xác định bằng hằng số thời gian của mạch =L/R.

Quá trình quá độ được mô tả bằng phương trình vi phân có vế phải Giảiphương trình vi phân này, ta được 2 quá trình:quá trình ổn định và quá trình tự do.Đặc tính của quá trình tự do, phụ thuộc vào sự thay đổi năng lượng của từ trường,cùng với sự thay đổi này xuất hiện dòng và điện áp tự do.

Dòng điện và điện áp ở quá trình quá độ, có thể có giá trị rất lớn so với lúcmáy làm việc bình thường, vì lý do đó khi thiết kế cần phải lưu ý tới điều này (lưuý về độ bến cơ học, về điện và phương pháp bảo vệ v.v.)

6.2 Quá trình quá độ khi đưa máy biến áp vào lưới điện.

Ta nghiên cứu quá trình xảy ra trong máy biến áp khi đưa biến áp vào lướiđiện cung cấp Nếu bỏ qua điện trở cuộn sơ cấp (R1=0) và tổn hao trong lõi thép(RFe = 0) thì sơ đồ tương đương của máy biến áp có dạng như hình 6.1.

tồn tại dư=0 ta có:L1 dt

Do đó dòng điện không tải ở quá trình quá độ có dạng:i0 =



Trong đó dòng ổn định iôđ bằng:iôđ =

Hình 6.1 Đặc tính quá độ của dòng biến áp khi đưa vào lưới cung cấp.i

d)

itd =

Đặt I0max =

Đây là trường hợp đưa biến áp vào lưới điện ở thời điểm bất kỳ (hình 6.1d).

Từ hình vẽ ta thấy, nếu đưa biến áp vài lưới cung cấp khi điện áp đạt giátrị cực đại, thì dòng quá độ có dạng của dòng ổn định, còn đưa biến áp vào lưới khiđiện áp lưới bằng không, thì dòng quá độ đạt giá trị gần bằng 2 lần giá trị dòng ổnđịnh I0max=2I0maxôđ.

Vì I0=0 nên tại thời điểm t=0 dòng Iotd và I0ôđ có giá trị bằng nhau nhưngngược chiều.

Vẫn giả thiết L1=const thì ta có:

Hình 6.2 Đặc tính quá độ của biến áp khi R10i0

R1

i0R1+L1 dtdi0

= u1 = U1maxsin(t+)

Giải phương trình và lưu ý i0=0 ta được:i0=

sin(-0)e Tt

Trong đó 0=arctg

, T=

Giống như trước, nhưng có thêm thành phần tắt dần ở dòng tự do (hình6.2b) Để xem sự biến thiên của từ thông, ta dùng phương trình sau:

u1= R1i0+ddt =R1i0+W1

(6.6)Giả thiế rằng R1=0 ta có:

W1

Sau khi giải phương trình này ta được:  =

Đặt

=max ta được:  = maxsin(t+-

) dư = ôđ + td  dư (6.10)Phân tích như trên, ta tìm được những giá trị khác nhau của từ thông với những giá trị  khác nhau và chiều dư khác nhau.

Biên độ  sẽ cực đại khi =0 và dư >0.Nếu R10 thì:

 = max2

) dư]e-t/T = ôđ + td  dư (6.11)

CHƯƠNG 7

MÁY BIẾN ÁP ĐẶC BIỆT

7.1 BIẾN ÁP 3 CUỘN DÂY

Trong thực tế kỹ thuật, nhiều khi cần phải nối 3 lưới điện có điện áp khácnhau Lúc này người ta dùng biến áp 3 cuộn dây Ở biến áp này, 3 cuộn dây đềuđược đặt trên một trụ lõi thép Trong công nghiệp điện năng, phụ thuộc vào nơi sửdụng và nhiệm vụ, mà mỗi cuộn dây có thể đóng vai trò cuộn sơ cấp hay thứ cấp.Chúng ta nghiên cứu tính chất của biến áp này

Trên hình 7.1 biểu diễn sơ đồ biến áp 3 cuộn dây

Ở trạng thái làm việc ổn định và điện áp nguồn cung cấp là hình sin, vớimũi tên chỉ hướng như hình 7.1 ta có các phương trình sau:

1 RIj (LZLZLZ

2 RIj (LZLZLZ

3 RIj (LZLZLZ

0W  W  W  W

Trong đó L11, L22, L33-độ tự cảm của các cuộn dây, còn L12, L23, L31- độ tựcảm tương hỗ giữa các cuộn dây Như những biến áp khác, chúng ta qui đổi cuộndây về một phía Giả thiết như sau:

ku12=

W ; ku13=

Đưa về cuộn W1 ta có:133,3122,

uuIIkk

3210I I I

Thay (7.3) vào (7.1) ta được:

 1 11 13 21 23  1  2 22 23 12 13  2 13 23 02

 1 11 12 31 32  1  3 33 32 13 12  3 12 32 03

 UZIZI

và 123 0

Để dựng được đồ thị véc tơ, nhất thiết phải biết được góc  (giữa I2 và I3)vì góc giữa U1, U2, U3 rất nhỏ nên nhận =0, ta có =3-2.

Vậy có thể tìm được  khi biết tải của cuộn 2 và 3 (cos2, cos3) Để xácđịnh Z1, Z2, Z3 ta thực hiện 3 lần ngắn mạch

Khi cung cấp cho cuộn 1, ngắn mạch cuộn 2, cuộn 3 hở, ta xác định đượcZngm12, bằng cách tương tự ta có Zngm23 và Zngm31

Vì Zngm12=Z1+Z2 ;Zngm13 =Z1+Z3 và Zngm23 =Z2+Z3 do đó:

I3Z3 I3I2Z2

I2U2 U3

Hình 7.2 Sơ đồ tương đương của máy biến áp 3 cuộn dây

Hình 7.3 Đồ thị véc tơ của biến áp 3 cuộn dây

I I3R3

3 2

Z3I1

Z1= (21

Zngm12 + Zngm13 - Zngm23)Z2= (

Z1= (21

Zngm13 + Zngm23 - Zngm13)

Ở những máy công suất lớn có thể nhận R1=R2=R3=0 do đó: Z1=X1, Z2=X2, Z3=X3;Biến đổi (7.5) ta rút ra: 1(23)

U1U 2(Z1Z2)I2 Z1I3Và vì rằng Z2Z 2Z ngm12

Từ phương trình này ta thấy, sự ảnh hưởng qua lại của các cuộn dây vớinhau Ví dụ khi cấp điện áp vào cuộn 1, thì từ (7.9a) ta thấy được ảnh hưởng củacuộn 3 lên cuộn 2 và từ (7.9) ta thấy ảnh hưởng của cuộn 2 lên cuộn 3

Khi bố trí cuộn dây một cách thích hợp, ta có thể hạn chế được các ảnhhưởng của chúng, ví dụ: khi cấp điện cho cuộn 1 thì nên bố trí cuộn 1 ở giữa, vì lúcnày Z10 và ta có thể chấp nhận rằng điện áp ở các cuộn 2 và 3 chỉ ảnh hưởng dochính dòng của nó thôi vì:

Bảng định mức của biến áp 3 cuộn dây phải chứa các đại lượng sau:

Điện áp, công suất của mỗi cuộn dây, điện áp ngắn mạch của từng cuộndây.

Công suất của máy biến áp sẽ là công suất của cuộn dây có giá trị lớn nhất.7.2 BIẾN ÁP TỰ NGẪU

Đây là biến áp đặc biệt, ở biến áp này cuộn thứ cấp là một phần của cuộnsơ cấp Để giải thích nguyên lý hoạt động của máy biến áp tự ngẫu, ta xét một biếnáp 2 cuộn dây bình thường có hệ số biến áp ku1(hình 7.4) Trước hết ta nối x với

điểm a ở cuộn thứ cấp Nối điểm A1 với a (hình 7.4b), sẽ không gây ra sự thay đổi

dây hình 7.5, ta được một biến áp tự ngẫu.

A1

Khi điện áp không đổi thì sự phân bố dòng I1 và I2 cũng sẽ không đổi Lúcnày trong cuộn dây chung sẽ chạy dòng điện:

trong đó W1 là số vòng dây sơ cấp, W2-số vòng dây cuộn thứ cấp (hình 7.5)

Nếu ku1 thì dòng I rất nhỏ so với I1 và I2 Tiết diện dây dẫn ở phần chungcó thể nhỏ, do vậy tiết kiệm được đồng.

Ở biến áp thường, năng lượng truyền từ sơ cấp sang phía thứ cấp bằng conđường từ trường, còn ở biến áp tự ngẫu việc truyền năng lượng sơ cấp sang thứ cấpbằng 2 con đường: dẫn và từ

Thật vậy do cuộn sơ cấp và thứ cấp nối với nhau nên có liên quan về điệntức là năng lượng được truyền bằng con đường dẫn điện , mặt khác giữa cuộn sơcấp và thứ cấp lại có mối liện hệ với nhau về từ như những biến áp thường, nênnăng lượng lại truyền sang bằng từ trường.

Ta có mối liên hệ sau đây:

Vậy I1W1-I2W2 = 0

Đây là quan hệ về từ của biến áp.

Vậy năng lượng chuyển qua thứ cấp bằng con đường từ xác định như sau:

-Biến áp tự ngẫu nhẹ hơn biến áp thường cùng công suất theo tỷ trọng sau:

1)3/ 4

-Khi thay đổi điểm nối A1,ta thay đổi được điện áp ra Biến áp tự ngẫu chota thay đổi điện áp ra vô cấp.

-Dùng ít đồng hơn so với biến áp thường, hiệu suất lớn hơn biến áp thườngvì tổn hao đồng và thép nhỏ hơn do lượng sử dụng các vật liệu này ít hơn biến ápthường.

Nhược điểm của biến áp tự ngẫu là mọi biến động ở phía sơ cấp đều đượcchuyển sang thứ cấp.

Giống như biến áp thường, ta có thể cung cấp điện vào phía hạ áp (thứ cấp)để nhận được điện áp ra lớn, tuy nhiên cần lưu ý khi giảm số vòng dây thứ cấp, đểkhông xảy ra ngắn mạch cuộn dây.

7.3 BIẾN ÁP DÙNG TRONG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI

Để cấp diện cho một số bộ biến đổi ví dụ bộ chỉnh lưu, ta cần biến áp nhiều

7.4 MÁY BIẾN ÁP HÀN.

Người ta dùng biến áp hàn để tạo ra một điện áp duy trì hồ quang phục vụcho hàn kim loại Yêu cầu cơ bản của biến áp hàn, là phải giữ ổn định cung hồquang Sự ổn định cung của hồ quang quyết định bởi điện áp và tần số dòng điệnhàn Chế độ ngắn mạch cuộn thứ cấp là chế độ làm việc bình thường của biến áphàn Để giới hạn dòng ngắn mạch, biến áp hàn phải có độ cảm ứng lớn, nên hệ sốcông suất nhỏ (cos) Tăng độ cảm ứng làm cho đặc tính ngoài của biến áp mềm,nên giữ được cung hồ quang ổn định khi ngắn mạch cuộn thứ cấp ở tần số 50Hz.Vì mục đích an toàn cho người sử dụng, điện áp của máy biến áp hàn có giá trịkhoảng 60-70V.

Máy biến áp hàn được thực hiện với nhiều dạng khác nhau Ở hình 7.7abiểu diễn máy biến áp hàn với cuộn cảm riêng biệt, lõi sắt từ có thể thay đổi khekhí và đặc tính ngoài của biến áp hàn khi thay đổi khe khí (cuộn 5 hình 7.7b).Từđồ thị ta thấy rằng khi tăng khe khí , trở kháng cuộn cảm giảm, dòng rô to tăng,ngược lại khi giảm khe khí làm tăng độ tự cảm, dòng điện hàn sẽ giảm

69pha để điện áp ra phẳng hơn.

Trên hình 7.6 ta biểu diễn biếnáp 3 pha, từ biến áp này ta cóthể biến thành biến áp 6 pha Sơ cấp là 3 cuộn dây nối sao,phía thứ cấp nối sao thành 6pha Nếu cần nhiều số pha hơnnữa ta có thể biến đổi 6 phasang 12 pha Nguyên tắc chungđể có 6 pha ta biến cuộn thứcấp thành sao kép hoặc tamgiác kép, còn để có 12 pha tadùng biến áp có 2 cuộn thứ cấptrong đó 1 cuộn mắc sao kép,một cuộn mắc tam giác kép

UG3

Trên hình 7.7c là biến áp hàn STAN, trong biến áp này sự thay đổi điệncảm thực hiện bằng đưa vào một SUN từ 7 (nối song song) Tuy nhiên loại này bâygiờ ít dùng mặc dầu kích thước nhỏ Từ hình vẽ ta thấy rằng, cuộn sơ cấp và thứcấp biến áp đặt trên 2 cột khác nhau Trong lõi thép ta đặt một SUN từ Khi thayđổi khe khí giữa SUN từ và lõi thép ta có thể thay đổi được từ thông đi qua cộtthép có cuộn thứ cấp Ở chế độ không tải, từ thông 1 do cuộn sơ cấp tạo ra phụ

cuộn thứ cấp.

không tải nhỏ Khi tải biến áp, từ thông chui qua cuộn dây giảm, qua SUN lớn, nênđặc tính ngoài của biến áp rất mềm Thay đổi khe khí ta thay đổi được dòng điệnhàn.Trên hình 7.7d là biến áp hàn loại CTN, ở biến áp này mạch từ và cuộn cảmnối với nhau Điều chỉnh dòng điện hàn bằng thay đổi khe khí.

7.5 BIẾN ÁP ĐO LƯỜNG.

Biến áp đo lường được chia làm 2 loại: biến dòng và biến áp đo lường.

a) Biến dòng Trên hình 7.8 biểu diễn sơ đồ một biến dòng Đặc điểm

chung của biến dòng là có cuộn sơ cấp ít vòng dây, cuộn thứ cấp nhiều vòng dây

và được nối với am-pe mét để mở rộng thang đo Từ hình vẽ chúng ta thấy cuộndây sơ cấp được mắc nối tiếp với tải chạy dòng I1, còn cuộn thứ cấp chạy dòng I2qua am-pe mét có điện trở trong rất nhỏ, nên có thể nói biến dòng luôn làm việc ởtrạng thái ngắn mạch

Ta có: I1W1=I2W2 do đó:Nên KI =

Điện áp phía thứ cấp rất nhỏ, có giá trị khoảng 1-6V Điện áp thứ cấp nhỏlà do sđđ cảm ứng cuộn thứ cấp nhỏ Sđđ cảm ứng ở cuộn sơ cấp còn nhỏ hơn vìsơ cấp có ít vòng dây Song điều này chỉ đúng khi cuộn thứ cấp tải một điện trởnhỏ(thực chất là ngắn mạch) Lúc này trong lõi thép chỉ chạy một từ thông do stđI1W1 và stđ cuộn thứ cấp I2W2 sinh ra Hai từ trường này tác động lên nhau và tạora một từ thông tương đối nhỏ nên sđđ ở cuộn thứ cấp nhỏ. Về nguyên tắc khôngbao giờ được để hở mạch phía thứ cấp, vì sẽ cảm ứng ở cuộn thứ cấp một sđđ lớn,gây nguy hiểm cho người sử dụng và cho cách điện của thiết bị Điều này đượcgiải thích như sau: Khi mạch thứ cấp hở nghĩa là I2=0 thì I2W2=0 lúc này trong lõithép không còn stđ chống lại stđ tạo ra do cuộn 1 nữa, nên stđ (I1W1) tăng vọt, cảm

Vì lý do không được để cuộn thứ cấp hở mạch, nên người ta mắc songsong với am-pe mét một công tắc K, để nếu phải tháo am-pe mét ra sửa thì trướchết phải đóng công tắc K rồi mới được tháo ap-pe mét.

b.Biến áp đo điện áp.

Đây là biến áp dùng để mở rộng thang đo điện áp dòng xoay chiều Trênhình 7.9 biểu diễn sơ đồ cách mắc một biến áp đo điện áp Biến áp đo điện áp có sốvòng dây thứ cấp ít hơn so với số vòng dây cuộn sơ cấp Do cuộn thứ cấp mắc vớivon-mét nên thực chất biến áp làm việc ở chế độ không tải (vì điện trở trong vonmét rất lớn)

Ta có: Ku =

Chú ý: Cuộn dây máy biến áp đo điện áp không được nối với am-pe méthoặc để ngắn mạch vì có nguy cơ làm cháy biến áp và dụng cụ đo.

Hình 7.8 a) Sơ đồ bộ biến dòng ; b) Ký hiệu trên bản vẽ.