Bài giảng Mạch điện tử - Chương 7: Máy biến áp

Bài giảng Mạch điện tử - Chương 7: Máy biến áp cung cấp cho người học những kiến thức cơ bản sau: Khái niệm chung về máy biến áp (MBA), cấu tạo của máy biến áp, nguyên lý làm việc của máy biến áp, mô hình toán của máy biến áp, sơ đồ thay thế máy biến áp, chế độ không tải của máy biến áp,... Mời các bạn cùng tham khảo.

Chương 7: Máy biến áp 7.1 Khái niệm chung máy biến áp (MBA) 7.1.1 Định nghĩa: Máy biến áp thiết bị điện từ tĩnh, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi điện áp hệ thống dòng điện xoay chiều giữ nguyên tần số BA Tải Đầu vào MBA nối với nguồn điện gọi phía sơ cấp ~ Đầu nối với tải gọi phía thứ cấp U1 , I1 , f U2 , I2 , f Nếu U2 > U1 : máy biến áp tăng áp Nếu U2 > U1 : máy biến áp giảm áp Đường dây 7.1.2 Công dụng máy biến áp: truyền tải ~ Máy biến áp có vai trị quan trọng hệ thống điện, MF MBA MBA dùng để truyền tải phân phối điện tăng áp hạ áp Thông thường nhà máy điện công suất lớn thường xa trung tâm tiêu thụ điện, cần phải xây dựng đường dây truyền tải điện Điện áp máy phát thường 6,3; 10,5; 15,75; 38,5 kV Để nâng cao khả truyền tải giảm tổn hao cơng suất phải giảm dịng điện chạy đường dây cách nâng cao điện áp Vì đầu đường dây cần đặt máy biến áp tăng áp Sau cuối đường dây lại đặt máy biến áp hạ áp để giảm điện áp cho phù hợp với điện áp tải Ngoài ra, máy biến áp sử dụng thiết bị lò nung (máy biến áp lò), hàn điện (máy biến áp hàn), làm nguồn cho thiết bị điện, điện tử cần nhiều cấp điện áp khác nhau, lĩnh vực đo lường (máy biến dòng, máy biến điện áp)… CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Tải 7.1.2 Các đại lượng định mức: a/ Điện áp định mức (V, kV): • U1đm: điện áp sơ cấp định mức điện áp định mức cho dây quấn sơ cấp • U2đm: điện áp thức cấp định mức, điện áp dây quấn thứ cấp máy biến áp không tải điện áp sơ cấp định mức • Qui ước: điện áp định mức với máy biến áp pha điện áp pha, với máy biến áp ba pha điện áp dây b/ Dịng điện định mức (A): • I1đm, I2đm dòng điện quy định cho dây quấn máy biến áp, ứng với công suất định mức điện áp định mức • Qui ước: dịng điện định mức với máy biến áp pha dòng điện pha, với máy biến áp ba pha dịng điện dây c/ Cơng suất định mức: • Cơng suất định mức Sđm máy biến áp công suất toàn phần đưa dây quấn thứ cấp máy biến áp • • Đối với máy biến áp pha: Sđm  U 2đm I 2đm  U1đm I1đm Đối với máy biến áp ba pha: Sđm  3U 2đm I 2đm  3U1đm I1đm • Đơn vị : VA, kVA Ngồi ra, nhãn máy cịn ghi tần số định mức fđm, số pha, sơ đồ nối dây, điện áp ngắn mạch… CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 7.2 Cấu tạo máy biến áp - Lõi thép - Dây quấn 7.2.1 Lõi thép máy biến áp Lõi thép máy biến áp dùng để dẫn từ thơng máy, chế tạo từ vật liệu dẫn từ tốt (thường ghép từ thép kỹ thuật điện dày 0,35-0,5 mm, hai mặt có sơn cách điện), gồm phận: - trụ: nơi để đặt dây quấn - gơng: phần khép kín mạch từ trụ Trụ gơng tạo thành mạch từ khép kín 7.2.2 Dây quấn máy biến áp Dây quấn MBA thường chế tạo dây đồng (hoặc nhơm) có tiết diện trịn chữ nhật, bên ngồi dây dẫn có bọc cách điện Dây quấn gồm nhiều vòng dây lồng vào trụ lõi thép MBA thường có hai nhiều dây quấn Khi dây quấn cao áp hạ áp đặt trụ dây quấn hạ áp đặt sát trụ thép, dây quấn cao áp lồng Để làm mát tăng cường cách điện cho MBA, thường đặt lõi thép dây quấn thùng chứa dầu máy biến áp, vỏ thùng có cánh tản nhiệt Trên nắp thùng có sứ xuyên để nối đầu dây quấn ngoài, phận chuyển mạch để điều chỉnh điện áp, rơle để bảo vệ máy, bình dãn dầu, thiết bị chống ẩm… CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 7.3 Nguyên lý làm việc máy biến áp Xét máy biến áp pha có dây quấn w1 w2 Khi nối dây quấn sơ cấp vào nguồn điện áp xoay chiều u1 Có dịng điện sơ cấp i1 chạy dây quấn sơ cấp Dịng điện I1 sinh từ thơng biến thiên chạy lõi théo, từ thơng móc vịng đồng thời với hai dây quấn sơ cấp thứ cấp,  U1 Cảm ứng dây quấn sức điện động: e1   w1 d dt e2  w I1 ~ I2 w1 w2 2 U d dt • Khi máy biến áp khơng tải, dây quấn thứ cấp hở mạch, Dòng điện thứ cấp i2 = 0, từ thơng lõi thép dịng  Sơ cấp Io gây • Khi máy biến áp có tải, dây quấn thứ cấp nối với tải có tổng trở Zt, tác động e2, có dịng điện i2 cung cấp điện cho tải Khi đó, từ thơng đồng thời i1 i2 sinh • Nếu điện áp u1 biến thiên sin, ta có từ thơng:    m sin  t d m sin t  e1   w1   w1 m  cos t dt      4,44fw1 m sin  t    E1 sin t   2 2   Tương tự: • e2  w d m sin t     E 2 sin  t   dt 2  Trong đó, E1 , E2 trị số hiệu dụng sức điện động sơ cấp thứ cấp: E1  4,44fw1 m ; E  4,44fw  m CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Đặt: k  E1  w1 E2 w gọi hệ số biến áp Nếu bỏ qua điện trở dây quấn từ thơng tản ngồi khơng khí, coi gần đúng: U1  E1 ; U  E U1 E1 w1   k U2 E2 w Tỷ số điện áp sơ cấp thứ cấp tỷ số vòng dây Với máy tăng áp: U2 > U1 ; w2 > w1 Với máy hạ áp: U2 < U1 ; w2 < w1 Như vậy, dây quấn sơ cấp thứ cấp không trực tiếp liên hệ với điện nhờ có từ thơng chạy mạch từ, lượng truyền từ dây quấn sơ cấp sang thứ cấp Nếu bỏ qua tổn hao máy biến áp, coi gần U I  U1I1 U1 I  k U I1 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt  7.4 Mơ hình tốn máy biến áp 7.4.1 Quá trình điện từ máy biến áp: Xét máy biến áp pha có hai dây quấn w1 w2: - dây quấn sơ cấp nối với nguồn I1 1 U - dây quấn thứ cấp nối với tải ~ I2  t1 t2 E u1 sinh dịng điện i1 có chiều hình vẽ, từ thơng  có chiều phù hợp với i1, móc vịng với cuộn dây, biến thiên, cảm ứng dây quấn sức điện đông e1 e2 có chiều phù hợp với  , chọn chiều i2 hình vẽ Ngồi từ thơng  chạy lõi thép, máy biến áp cịn có từ thơng tản chạy tản khơng khí vật liệu cách điện…, từ thông khép mạch qua vật liệu khơng sắt từ, có độ từ dẫn nên nhỏ so với từ thơng Từ thơng tản  1 dịng i1 sinh móc vịng với dây quấn sơ cấp, từ thơng tản   dịng i2 sinh móc vịng với dây quấn thứ cấp Các từ thông đặc trưng điện cảm tản: L 1  CuuDuongThanCong.com  1  ; L2  2 i1 i2 https://fb.com/tailieudientucntt 2 U 7.4.2 Phương trình điện áp sơ cấp: Xét mạch điện sơ cấp gồm có nguồn điện áp u1, sức điện động e1, điện trở dây quấn sơ cấp R1, điện cảm tản sơ cấp L1, áp dụng định luật Kirhof ta có phương trình điện áp sơ cấp: di1  u1  e1 dt di  u1  R 1i1  L1  e1 dt R 1i1  L1 Viết dạng số phức: đặt Z1  R`  jL1  R1  jX1 tổng trở phức dây quấn sơ cấp (X1 điện kháng tản dây quấn sơ cấp)   R 1I1  jX1I1  E  Z1I1  E U 7.4.3 Phương trình điện áp thứ cấp: Xét mạch điện thứ cấp gồm có sức điện động e2, điện trở dây quấn thứ cấp R2, điện cảm tản dây quấn thứ cấp L2 điện áp thứ cấp u2 đặt lên tổng trở tải Zt, áp dụng định luật Kirhof ta có phương trình điện áp thứ cấp: di di R i  L 2  u  e  u   R 2i  L 2  e dt dt Viết dạng số phức: đặt Z2  R2  jL2  R2  jX2 tổng trở phức dây quấn sơ cấp (X2 điện kháng tản dây quấn sơ cấp)   Z t I  R I  jX I  E  Z I  E U CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 7.4.4 Phương trình sức từ động: Trong phương trình điện áp sơ cấp: U  Z I  E , thành phần điện áp rơi tổng trở thường nhỏ, lấy gần U1  E1 Điện áp lưới U1 đặt vào máy biến áp không đổi E1 không đổi từ thơng  max khơng đổi • Chế độ khơng tải:  max sức từ động dây quấn sơ cấp iow1 sinh • Chế độ có tải:  max sức từ động dây quấn sơ cấp thứ cấp i1w1  i w  sinh Dấu trừ i2 ngược với chiều từ thơng chọn Vì  max không đổi nên sức từ động lúc không tải sức từ đọng lúc có tải, ta có: i o w1  i1w1  i w  i o  i1  i Đặt k w1 w2 gọi hệ số biến áp, i '2  i2 k w2 i  i1  w1 w1 w2 dịng điện thứ cấp quy đổi phía sơ cấp, ta có: i o  i1  i '2 Phương trình sức từ động viết dạng phức: I1  I o  I '2 Với ba phương trình viết trên, ta có mơ hình toán học máy biến áp:   Z1I1  E U   Z I  E U I1  I o  I '2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 7.5 Sơ đồ thay máy biến áp: Từ mơ hình tốn học máy biến áp, ta xây dựng mơ hình mạch (sơ đồ thay thế) phản ánh đầy đủ trình lượng máy biến áp, thuận lợi cho việc phân tích, nghiên cứu máy biến áp 7.5.1 Quy đổi đại lượng thứ cấp sơ cấp: Nhân với phương trình điện áp thứ cấp với hệ số biến áp k, ta có:    kE  kZ I  kE  k Z I kU k ' '   kU 2 ; E  kE  E ; U Đặt (1) Z'2  k Z ; R '2  k R ; X '2  k X Ta có phương trình: Ta lại có  '2 E 1Z'2I'2 2 U   ZtI2 U    k Z t I  k Z t I  U  '2  Z't I '2  kU k với Z't  k Zt ; R 't  k R t ; X 't  k X t 3 4 Các phương trình (2), (3) phương trình qui đổi điện áp thứ cấp điện áp sơ cấp Hệ (1),(4) công thức qui đổi đại lượng thứ cấp vầ sơ cấp Quá trình qui đổi đảm bảo điều kiện bảo tồn lượng, cơng suất phần từ trước sau qui đổi CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 7.5.2 Thiết lập sơ đồ thay máy biến áp:   Z1I1  E , thành phần  E điện áp rơi tổng trở Trong phương trình điện áp sơ cấp: U Z th  R th  jX th : Rth điện trở từ hóa đặc trưng cho tổn hao sắt từ Xth điện kháng từ hóa đặc trưng cho từ thơng  E  R th  jX th I o  Z th I o Thay vào hệ phương trình mơ hình tốn học máy biến áp, ta có:   Z1I1  Z th I o U  '2  ZthIo  Z'2I'2 U I1  I o  I '2 Từ hệ phương trình trên, ta xây dựng sơ đồ thay cho máy biến áp, gồm nhánh, nhánh sơ cấp, nhánh thứ cấp nhánh từ hóa (thơng thường tổng trở nhánh từ hóa lớn, dịng Io nhỏ nên bỏ nhánh từ hóa (có sơ đồ thay gần với Rn = R1 + R’2 ; Xn = X1 + X’2) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 7.6 Chế độ không tải máy biến áp: Chế độ khơng tải chế độ mà phía thứ cấp hở mạch, đặt điện áp vào phía sơ cấp 7.6.1 Phương trình sơ đồ thay máy biến áp không tải: Khi không tải, I2 = 0, ta có:   I o Z1  E  I o Z1  Z th   I o Zo U Với Zo  Z1  Zth tổng trở máy biến áp không tải 7.6.2 Các đặc điểm chế độ khơng tải: U1 a/ Dịng điện không tải: I  U1  o Zo R1  R th 2  X1  X th 2 Tổng trở Zo thường lớn dịng điện khơng tải thường nhỏ Io = (2 % – 10%)Iđm b/ Công suất không tải: Ở chế độ không tải, công suất đưa phía thứ cấp khơng song máy tiêu thụ công suất Po gồm công suất tổn hao sắt từ lõi thép Pst công suất tổn hao điện trở dây quấn sơ cấp PR1 Vì dịng điện khơng tải nhỏ nên bỏ qua công suất tổn hao điện trở coi gần Pst Po Tổn hao sắt từ Pst tính dựa vào đặc tính lõi thép: 1,3 2 f  p1,0/50 suất tổn hao thép tần số 50Hz từ cảm 1T Pst  p1,0 / 50 B   G  50  Với thép kỹ thuật điện 3413 dầy 0,35mm, p1,0/50 = 0,6W/kg c/ Hệ số công suất không tải: cos o  G khối lượng thép (kg) Ro R o2  X o2  Po Po2  Q o2  0,1  0,3 Q o  Po  Khi sử dụng, khơng nên để máy tình trạng khơng tải non tải CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 7.6.3 Thí nghiệm không tải máy biến áp: Để xác định hệ số biến áp k, tổn hao sắt từ thông số máy chế độ không tải, ta tiến hành thí nghiệm khơng tải: Sơ đồ thí nghiệm hình vẽ: - Đặt điện áp định mức vào dây quấn sơ cấp, dây quấn Thứ cấp hở mạch - W kế công suất không tải Po - A kế dịng điện khơng tải Io , V1 U1, V2 U20 Tính giá trị: W E U • Hệ số biến áp k: k    W2 E U 20 • Dịng điện khơng tải phần trăm: I o %  • Điện trở khơng tải: R o  Po I o2 Io I1đm 100%  3%  10%  Có Ro = R1 + Rth , Rth >>R1 nên lấy gần Rth  Ro • Tổng trở khơng tải: Zo  U1đm Io • Điện kháng không tải: X o  Z o2  R o2 • Hệ số cơng suất khơng tải: cos o  CuuDuongThanCong.com (tương tự lấy Z th  Zo) (tương tự lấy X th  X o ) Po U1đm I o  0,1  0,3 https://fb.com/tailieudientucntt 7.7 Chế độ ngắn mạch máy biến áp: Chế độ ngắn mạch chế độ mà phía thứ cấp bị nối tắt lại, sơ cấp đặt vào điện áp 7.7.1 Phương trình sơ đồ thay máy biến áp: Khi nối tắt phía thứ cấp, tổng trở Z’2 w1 • Cuộn sơ cấp đấu nối tiếp với dòng điện cần đo, cuộn thứ cấp Nối với ampe kế cuộn dòng điện ốt kế • Khơng hở mạch thứ cấp 7.11.3 Máy biến áp hàn hồ quang • Dùng phương pháp hàn hồ quang điện • Sơ đồ nguyên lý cách đấu hình vẽ • Máy biến áp hàn chế tạo có điện kháng tản lớn, Thêm cuộn kháng ngồi dịng điện hàn khơng vượt U1 Quá đến lần Iđm , đường đặc tính ngồi máy dốc, Phù hợp với u cầu hàn điện K • Dí que hàn vào kim loại có dịng điện lớn chạy qua, Làm nóng chỗ tiếp xúc Nhấc que hàn cahcs kim loại khoảng nhỏ, cường độ từ trường lớn làm ion hóa chất khí, sinh Hồ quang điện tỏa nhiệt lượng lớn làm nóng chảy chỗ hàn • Để điều chỉnh dịng điện hàn thay đổi số vòng dây cuộn thứ cấp thay đổi điện kháng cuộn K Bằng cách thay đổi khe hở khơng khí lõi thép • Chế độ làm việc máy biến áp hàn ngắn mạch ngắn hạn thứ cấp Điện áp thư cấp định mức máy biến áp hàn thường 60 – 70V CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ... mức • Qui ước: điện áp định mức với máy biến áp pha điện áp pha, với máy biến áp ba pha điện áp dây b/ Dòng điện định mức (A): • I1đm, I2đm dịng điện quy định cho dây quấn máy biến áp, ứng với công... đổi U2, máy tự biến áp dùng để điều chỉnh điện áp cách liên tục Ở máy tự biến áp, lượng truyền từ sơ cấp thứ cấp hai đường điện điện từ, dó máy tự biến áp có tiết diện lõi bé máy biến áp thường,... dây, điện áp ngắn mạch? ?? CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 7.2 Cấu tạo máy biến áp - Lõi thép - Dây quấn 7.2.1 Lõi thép máy biến áp Lõi thép máy biến áp dùng để dẫn từ thơng máy,