- Qui đổi điện trở, điện kháng và tổng trở:
Chƣơng 4: MÁY BIẾN ÁP LÀM VIỆC Ở TẢI XÁC LẬP ĐỐI XỨNG
ĐỐI XỨNG
4.1. GIẢN ĐỒ NĂNG LƢỢNG
Khi truyền tải điện năng, năng lượng qua máy biến áp sẽ có một phần cơng suất tác dụng và công suất phản kháng bị tiêu hao trong máy biến áp. Ta xét sự cân bằng công suất phản kháng và công suất tác dụng trong máy biến áp. Sự cân bằng này có thể suy ra từ mạch điện thay thế của máy biến áp ở hình vẽ
Gọi P1= U1I1cos1 là công suất tác dụng đưa vào một pha của máy biến áp.
Trong đó
U1 là điện áp pha của máy biến áp I1 là dòng điện pha của máy biến áp
1 là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện ở mỗi pha của máy
biến áp
Công suất tác dụng đưa vào ba pha của máy biến áp là P1= m1U1I1cos1
Một phần công suất này bị tiêu hao trên điện trở của dây quấn sơ cấp PCu1 = R1I12 và tổn hao trong mạch từ máy biến áp do dịng điện Fourcau làm nóng lõi thép PFer = RmI02.
Trong đó
Rm: là điện trở của mạch từ hóa đặc trưng cho tổn hao sắt từ và được gọi là “từ trở”
Phần còn lại là cơng suất điện từ truyền qua phía thứ cấp. Ta có biểu thức sau Pđt = P1 - (PCu1+ PFer) M I1 I2’ Rth Xth I0 R1 X1 R2’ X2’ Zt’ U2’ U1’
Pđt = E2’I2’cos2 (4–1)
2: là góc lệch pha giữa sức điện động Ė2’ và dòng điện I2’
Từ biểu thức trên, ta nhận thấy công suất đầu ra thứ cấp P2 của máy biến áp sẽ nhỏ hơn công suất điện từ do tổn hao trên điện trở của dây quấn thứ cấp
PCu2 = R2I22 Công suất tác dụng ở thứ cấp
P2 = Pđt- PCu2
P2 = U2’I2’cos2 (4–2)
Tương tự, ta có cơng suất phản kháng đầu vào sơ cấp, một phần công suất phản kháng này tạo ra từ thông tản và một phần tạo ra từ thông trong lõi thép
Q1 = U1I1sin1 (4–3)
Công suất phản kháng tạo ra từ thông tản sơ cấp Qtản1 = I12 X1
Công suất phản kháng tạo ra từ thông trong lõi thép Qm = I02 Xm
Công suất phản kháng điện từ chuyển qua thứ cấp là hiệu số giữa công suất phản kháng đầu vào sơ cấp và công suất phản kháng tạo ra từ thông tản sơ cấp và công suất phản kháng tạo ra từ thông trong lõi thép
Qđt = Q1 – (Qtản1 - Qm )
Qđt = E2’I2’sin2 (4–4)
Công suất phảnkháng để tạo ra từ thông Qtản 2 = I2’2 X2’
Công suất phản kháng ở 2 đầu cuộn dây thứ cấp
Q2 = Qđt - Qtản2 = U2’I2’ sin2 (4–5) Khi tải có tính chất điện cảm thì nghĩa là Q1 > 0, Q2 >0 và 2 >0. Khi đó công suất phản kháng được truyền từ sơ cấp sang thứ cấp.
Khi tải mang tính chất điện dung nghĩa là 2 <0, Q2 < 0. Có 2 trường hợp xảy
ra
Nếu Q1 < 0: Công suất phản kháng được truyền theo chiều ngược lại từ phía thứ cấp sang sơ cấp
Nếu Q1 > 0: Công suất phản kháng đều dùng từ hai phía thứ cấp và sơ cấp để từ hoá lõi thép máy biến áp.
Từ những lý luận trên, ta xây dựng được giản đồ năng lượng máy biến áp biểu diễn sự cân bằng công suất phản kháng và công suất tác dụng được biểu thị ở hình vẽ.
Hình 4.2: Giản đồ năng lượng của máy biến áp
4.2. ĐỘ THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP VÀ CÁCH ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP
Chế độ có tải của máy biến áp là chế độ trong đó dây quấn sơ cấp nối vào nguồn điện áp định mức, dây quấn thứ cấp nối với tải.
Khi máy biến áp làm việc, điện áp đầu ra U2 thay đổi theo trị số và tính chất của tải (tải mang tính cảm hay tính dung kháng). Sở dĩ có sự tay đổi điện áp ở thứ cấp là do có điện áp rơi trên các dây quấn sơ cấp và thứ cấp và do dòng điện tải I2 thay đổi theo tính chất của tải.
Để đánh gía mức độ tải, nhười ta sử dụng hệ số tải kt:
Căn cứ vào giá trị ktải, ta biết được tình trạng của máy biến áp làm việc non tải, đầy tải hay quá tải
k I I I I t đm đm 2 2 1 1
Trong đó: kt =1 tải định mức ; kt 1 non tải ; kt 1 quá tải.
4.2.1. Độ thay đổi điện áp
Theo định nghĩa: Hiệu số số học giữa các trị số của điện áp thứ cấp lúc không tải và lúc có tải U2 trong điều kiện U1đm khơng thay đổi gọi là độ thay đổi điện áp U của máy biến áp
Để nghiên cứu một số đặc tính làm việc của máy biến áp khi có tải, ta dựa vào các phương trình cân bằng sđđ và sơ đồ thay thế của máy biến áp. Như đã trình bày ở trên, khi tải thay đổi sẽ làm cho điện áp thứ cấp Ů2 thay đổi.
Gọi U2 là độ biến thiên điện áp thứ cấp khi điện áp sơ cấp là định mức
U2 = U2đm – U2
Độ biến thiên điện áp tứ cấp phần trăm, được xác định như sau
P1 jQ1
Pcu1 jq1 PFe jqm Pcu2 jq2
U2 = U2đm - U2 U2đm 100 Hay U2 = ktảiU2đm - ktảiU2 ktảiU2đm 100
U2% = U1đm - U2' U1đm 100%
Đồ thị vector của máy biến áp ứng với sơ đồ thay thế đơn giản như hình vẽ
t I1 = I2’ I1Zn I1Rn I1Xn n U1 0 A C B
Để tính U2, ta chiếu vector điện áp Ů1 lên trục của vector Ů2’ Theo hình trên ta thấy góc lệch pha giữa vector điện áp Ů1 và vector điện áp thứ cấp qui đổi Ů2’
khơng lớn nên để đơn giản ta có thể xem gần đúng Ů1đm = OB = OC
Suy ra Ů1đm – Ů 2’ = AC = AB cos(φn – φt)
Ů1đm – Ů 2’ = I1Zn cos(φn – φt)
Ů1đm – Ů 2’ = I1Zn cosφn cosφt - sinφn sinφt
Trong đó
φn: là góc của tổng trở ngắn mạch
φt: là góc lệch pha giữa điện áp Ů2 và dịng điện2. Đây chính là góc của tổng trở tải
φt = arctg RtảiXtải
Do đó độ biến thiên điện áp được viết lại như sau:
U2 = I1Zn cosφn cosφ U1đm t + I1Zn sinφn sinφt 100
U2 = kt I1đmZn cosφn cosφ U1đm t + I1đmZn sinφn sinφt 100
U2 = kt(UnR cosφt + UnR cosφt)
Từ biểu thức, ta thấy U2 có thể đạt cực đại và có giá trị dương hay giá trị âm hoặc bằng 0 là do tính chất của tải.
Hình vẽ trên cho thấy U2 tương ứng với tải là thuẩn trở m thuần cảm và
thuần dung *) Đường đặc tính ngồi kt U2% 4 0 0,5 L R C 1 U2 kt 0.5 C R L U20 Hình a Hình b
Đường đặc tính ngồi của máy biến áp biểu diễn mối quan hệ giữa điện áp thứ cấp U2 và dòng điện tải I2: U2 = f(I2) khi điện áp sơ cấp là định mức và hệ số công suất cosφtải là hằng số (Tính chất tải là khơng đổi)
Từ đồ thị đặc tính ngồi của máy biến áp (hình b), ta thấy khi tải mang tính dung kháng, khi dịng điện I2 tăng thì điện áp thứ cấp U2 cũng tăng theo, cịn khi tải mang tính cảm hoặc trở thì khi dịng điện tải I2 tăng thì điện áp ra ở thứ cầp sẽ giảm
4.2.2. Cách điều chỉnh điện áp
Trong thực tế muốn giữ điện áp U2 khơng đổi khi mba làm việc với các tải khác nhau thì phải điều chỉnh điện áp bằng cách thay đổi lại số vịng dây, nghĩa là thay đổi tỉ số biến đổi K=
21 1
WW W
Thơng thường việc điều chỉnh điện áp được thực hiện ở phía (CA) vì ở dây quấn (CA) dịng điện nhỏ hơn so với dây quấn hạ áp.
Nếu cơng suất nhỏ thì ở mỗi pha cĩ 3 đầu phân nhánh của mỗi pha để điều chỉnh điện áp trong phạm vi 5%Uđm, nếu máy cĩ cơng suất lớn thì mỗi pha cĩ 5 đầu dây ra và phạm vi điều chỉnh 2,5% Uđm và 5%
4.3. HIỆU SUẤT
Khi máy biến áp làm viêc, sẽ có hao trên dây quấn sơ cấp và thứ cấp được gọi chung là tổn hao đồng Pđồng. Tổn hao đồng phụ thuộc vào dòng điện tải I2.
Ngồi ra cịn có tổn hao sắt từ Psắttừ trong lõi thép. Như vậy công suất thực P2 lấy ra phía thứ cấp sẽ nhỏ hơn cơng suất phía sơ cấp P2.
Hiệu suất của máy biến áp là tỉ số giữa công suất đầu ra P2 và công suất
đầu vào P1 = P2P1 100% (4-6) Hay = P2 + Psắttừ + Pđồng 100 P2 2 0 cos % cos t dm t t dm t t n k S k S P k P 100 (4–7) Trong đó