2.6.1. Giản đồ năng lượng biến áp
P1 Pđt P 2 Pđ1 Pđ2 Pst
Hình 2.10. Giản đồ năng lượng máy biến áp
2.6.2. Hiệu suất của biến áp
Trong đó: Pđ: tổn hao đồng.
Pst = P0 : tổn hao sắt từ. P2 = kt.Sđm.cost
Máy biến áp đạt hiệu suất cao nhất ứng với hệ số tải là:
Máy biến áp thường làm việc với phụ tải trung bình kt = 0,5 0,7. Hiệu suất máy biến áp có thể đạt 0,95%.
2.7. Phân loại biến áp 2.7.1. Biến áp ba pha 2.7.1. Biến áp ba pha
a. Nguyên lý cấu tạo
Tương tự như máy biến áp một pha hai dây quấn, máy biếp áp ba pha hoạt động dựa trên hai hiện tượng vật lý đó là dòng điện chạy qua dây dẫn tạo ra từ trường và sự biến thiên từ thông bên trong cuộn dây tạo ra hiệu điện thế cảm ứng (cảm ứng điện từ)
Máy biến áp ba pha được sử dụng rộng rãi và phổ biến hơn bởi tính ứng dụng cao của nó. Máy biến áp ba pha được sử dụng và lắp đặt ở những nơi phải tiêu thụ một lượng điện năng vô cùng lớn như cao ốc, chung cư, bệnh viện, trạm biến áp… Để sử dụng được ở
những hệ thống lưới điện lớn như vậy, máy biến áp ba pha có cấu tạo tương đối phức tạp (hình 2.11).
Lõi thép là một trong những thành phần chính cấu tạo nên máy biến áp ba pha. Lõi thép của máy biến áp ba pha có ba trụ tù để quấn dây và gông từ để khép kín mạch từ và được làm bằng những lá thép kĩ thuật điện, hai mặt phủ sơn cách điện và ghép lại thành hình trụ. Dây quấn máy ba pha có sáu dây quấn đồng được bọc cách điện, quấn quanh trụ. Có rất nhiều loại máy biến áp ba pha trên thị trường hiện nay, nhưng người ta vẫn thường sử dụng ba loại máy biến áp ba pha phổ biến nhất, đó là:
Máy biến áp 3 pha cách ly Máy biến áp 3 pha ngâm dầu Máy biến áp 3 pha tự ngẫu
Hình 2.11. Cấu tạo biến áp ba pha
Thực tế có thể dùng biến thế ba pha hoặc ba máy biến thế một pha ghép lại tạo thành biến áp ba pha (hình 2.12 và hình 2.13).
Về dây quấn biến áp ba pha, phía sơ cấp ký hiệu bằng chữ in hoa, dây quấn thứ cấp ký hiệu bằng chữ thường. Dây quấn sơ cấp và thứ cấp có thể nối hình sao hoặc hình tam giác tùy theo yêu cầu cụ thể.
A B C a b c X Y Z x y z
Hình 2.12. Sơ đồ dây biến áp ba pha
N1 N2 a x A X N1 N2 b y B Y N1 N2 c z C Z
Hình 2.13. Sơ đồ dây ba biến áp một pha kết nối thành biến áp ba pha
b. Các kiểu kết nối biến áp ba pha
Gọi N1 là số vòng dây một pha sơ cấp, N2 là số vòng dây một pha thứ cấp. Tỷ số điện áp pha giữa sơ cấp và thức cấp là:
A B C a b c x y z X Y Z A B C X Y Z a b c x y z A B C a b c x y z X Y Z A B C X Y Z a b c x y z a b c d
Hình 2.14. Các kiểu nối dây biến áp ba pha
Kiểu nối Y/Y (hình 2.14a), sơ cấp nối sao , thứ cấp nối sao
. Tỷ số điện áp dây kd là:
Kiểu nối Y/ (hình 2.14b), sơ cấp nối sao , thứ cấp nối tam giác Ud2 = Up2. Tỷ số điện áp dây kd là:
Kiểu nối /Y (hình 2.14c), sơ cấp nối tam giác Ud1 = Up1, thứ cấp nối sao . Tỷ số điện áp dây kd là:
Kiểu nối / (hình 2.14d), sơ cấp nối tam giác Ud1 = Up1, thứ cấp nối tam giác Ud1 = Up1, Tỷ số điện áp dây kd là:
2.7.2. Biến áp đặc biệt
a. Máy biến điện áp (tên gọi VT, PT, TU hay BU)
Hình 2.15. Hình dạng máy biến điện áp
Máy biến điện áp được ký hiệu là VT (voltage transformer) hoặc PT (potential transformer). Một số tài liệu ký hiệu là TU, BU.
Máy biến điện áp dùng biến đổi điện áp cao xuống điện áp thấp để đo lường bằng các dụng cụ thông thường. Điện áp của các phần tử trong hệ thống điện thường có trị số rất lớn, không thể đưa trực tiếp vào thiết bị đo lường, bảo vệ và các thiết bị tự động khác, vì vậy ta cần máy biến điện áp. Thông thường điện áp thứ cấp máy biến điện áp là 100 vôn. Khi làm việc thì máy biến điện áp không được để máy bị ngắn mạch thứ cấp.
Nếu biết được tỉ số biến áp kU , ta xác định được giá trị điện áp sơ cấp cần đo theo biểu thức U1 = kU. U2 . Trên máy thường ghi tỉ số kU. ( ).
Ví dụ: Biến điện áp có tỉ số biến áp là 50, điện áp đo thứ cấp là 100 vôn. Hỏi điện áp phía sơ cấp là bao nhiêu?.
Từ biểu thức U1 = kU. U2, vậy điện áp phía sơ cấp là 5000 vôn. b. Máy biến dòng điện (tên gọi CT, TI hay BT)
Hình 2.16. Hình dạng máy biến dòng điện
Máy biến dòng điện được ký hiệu là VT (Current transformer).
Dòng điện cũng như điện áp của các phần tử trong hệ thống điện thường có trị số rất lớn, không thể đưa trực tiếp vào dụng cụ đo hoặc role và các thiết bị tự động khác, vì vậy các dụng cụ và thiết bị này thường được đấu nối qua máy biến dòng.
Tương tự máy biến dòng cũng dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, thông qua mạch từ lõi thép biến đổi dòng điện lớn phía cao áp sang dòng điện nhỏ cung cấp cho các phụ tải thứ cấp. Tổng trở mạch ngoài của biến dòng điện rất bé nên có thể xem máy biến dòng điện luôn làm việc trong trạng thái ngắn mạch. Thông thường dòng điện thứ cấp máy biến dòng điện là 5 ampe. Nếu biết được tỉ số biến dòng kI , ta xác định được giá trị dòng điện phía sơ cấp cần đo theo biểu thức I1 = kI. I2 . Trên máy thường ghi tỉ số kI. (
).
Ví dụ: Biến dòng điện áp có tỉ số biến dòng là 100, dòng điện đo thứ cấp là 5 ampe. Hỏi dòng điện phía sơ cấp là bao nhiêu?.
Từ biểu thức I1 = kI. I2, suy ra dòng điện phía sơ cấp là 500 ampe. c. Máy tự biến áp
A U2 Zt I2 U1 N1 N2 X a x I1
Hình 2.17. Sơ đồ nguyên lý máy tự biến áp
Máy tự biến áp còn gọi là biến áp tự ngẫu. Loại tự ngẫu một pha thường có công suất nhỏ dùng trong các phòng thí nghiệm và trong các thiết bị nguồn điều chỉnh điện áp ngõ ra theo yêu cầu.
Biến áp tự ngẫu một pha gồm một dây quấn chung làm dây quấn sơ cấp, đồng thời một bộ phận của nó làm dây quấn thứ cấp, giữa chúng có chung một đoạn dây nên giữa sơ và thứ cấp liên hệ với nhau cả về mặt từ lẫn điện. Máy biến áp tự ngẫu có sơ đồ điện như hình (hình 2.17). Tỉ số biến áp là:
Thay đổi vị trí con trượt sẽ thay đổi số vòng dây sơ cấp do đó làm thay đổi điện áp thứ cấp. Loại này có nhược điểm là độ an toàn không cao do sơ cấp và thứ cấp liên hệ trực tiếp về điện.
2.8. Bài tập chương 2
Bài 1: một máy biến áp ba pha có số vòng dây pha . Xác định tỉ số điện áp dây khi máy đấu nối kiểu Y/Y ; Y/ ; / và /Y.
Bài 2: Cho máy biến áp một pha lý tưởng (không bị sụt áp, không tổn hao, dòng điện không tải bằng không) 20kVA, 1200V/120V.
a. Tính dòng điện định mức sơ cấp và thứ cấp.
b. Nếu máy cấp cho tải 12kW có hệ số công suất bằng 0,8. Tính dòng điện sơ và thứ cấp. Bài 3: biến áp 3 pha nối Y/ có dung lượng máy biến áp (Sđm) là 60 kVA, điện áp phía sơ cấp 35 kV ; thứ cấp 400 V ; dòng điện không tải (I0) là 11% ; điện áp ngắn mạch 4,55% ; công suất không tải (P0) là 502W ; công suất ngắn mạch là 1200W. Hãy tính
a. Dòng điện định mức, dòng điện không tải, hệ số công suất không tải. b. Điện áp ngắn mạch, hệ số công suất ngắn mạch.
CHƯƠNG 3: MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Giới thiệu:
Trong chương này ta sẽ làm quen với các khái niệm về máy điện không đồng bộ, các thông số định mức trong động cơ điện không đồng bộ và các phương pháp vẽ sơ đồ trải dây quấn động cơ không đồng bộ ba pha và một pha.
Mục tiêu:
- Mô tả được cấu tạo, trình bày được công dụng máy điện không đồng bộ. - Giải thích được các thông số định mức.
- Tính toán được thông số điện đơn giản
- Vẽ được các dạng sơ đồ trãi dây quấn động cơ phổ biến.
Nội dung chính:
3.1. Động cơ điện không đồng bộ ba pha 3.1.1. Định nghĩa 3.1.1. Định nghĩa
Máy điện không đồng bộ là máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ của quay rotor n khác với tốc độ từ trường quay trong máy n1.
Máy điện không đồng bộ có hai dây quấn: dây quấn stator (sơ cấp) nối với lưới điện, dây quấn rotor (thứ cấp) được nối tắt lại hoặc nối kín qua điện trở. Dòng điện trong dây quấn rotor sinh ra nhờ sức điện động cảm ứng có tần số f2 phụ thuộc vào tốc độ rotor nghĩa là phụ thuộc vào tải trên trục của máy.
Máy điện không đồng bộ cũng có tính thuận nghịch là có thể làm việc trong chế độ máy phát điện hay trong chế độ động cơ điện.
Máy phát điện không đồng bộ có đặc tính làm việc không tốt so với máy phát điện đồng bộ nên ít được sử dụng, chỉ dùng trong trường hợp cần nguồn điện phụ hay tạm thời thì mới có ý nghĩa quan trọng.
Động cơ điện không đồng bộ so với các loại động cơ khác có cấu tạo và vận hành đơn giản hơn, giá thành rẽ, làm việc tin cậy nên được sử dụng nhiều trong nhiều lĩnh vực với công suất từ vài chục W đến vài MW.
3.1.2. Cấu tạo động cơ điện không đồng bộ ba pha
Hình 3.1. Cấu tạo động cơ điện không đồng bộ ba pha
Cấu tạo của máy điện không đồng bộ gồm 2 bộ phận chính là stator (phần tĩnh) và rotor (phần quay),ngoài ra còn có vỏ máy, nắp máy, trục máy và khe hở không khí.
3.1.2.1. Stator
Hình 3.2. Cấu tạo stator động cơ điện không đồng bộ ba
Stator là phần tĩnh gồm 2 bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy.
Lõi thép là phần dẫn từ, dạng hình trụ gồm nhiều lá thép kỹ thuật điện dày 0,5mm, có sơn cách điện được dập rãnh bên trong ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục và được ép vào trong vỏ máy. Nếu lõi thép ngắn thì làm thành một khối, nếu lõi thép qúa dài thì ghép nhiều khối lại đặt cách nhau 1cm để thông gió.
b. Dây quấn
Dây quấn làm bằng dây đồng có bọc cách điện, được đặt bên trong các rãnh lõi thép và cách điện với lõi thép. Khi có dòng điện xoay chiều 3 pha đi vào trong dây quấn sẽ tạo ra từ trường quay.
c. Vỏ máy
Vỏ máy thường làm bằng gang dùng để giữ chặt lõi thép và cố định máy trên bệ. Đối với máy công suất lớn thường dùng thép tấm hàn lại thành vỏ. Tuỳ theo cách làm nguội máy mà có các dạng vỏ khác nhau. Hai đầu vỏ có nắp máy, ổ đỡ trục. Vỏ và nắp dùng để bảo vệ máy tránh các vật bên ngoài rơi vào.
3.1.2.2. Rotor
Rotor là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy a. Lõi thép
Lõi thép gồm các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh mặt ngoài ghép lại, tạo thành các rãnh theo hướng dọc trục, ở giữa có lỗ để lắp đặt trục.
b. Dây quấn: Gồm 2 kiểu là rotor dây quấn và rotor lồng sóc. Rotor dây quấn:
Giống như dây quấn stator gồm có ba cuộn dây thường đấu hình sao, ba đầu còn lại được nối vào ba vành trượt bằng đồng đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than để nối với mạch điện bên ngoài.
Ưu điểm: Có thể đưa điện trở phụ vào mạch điện rotor cải thiện qúa trình mở máy và điều chỉnh tốc độ.
Nhược điểm: Giá thành cao và vận hành kém tin vậy.
Rotor lồng sóc: Trong mỗi rãnh của lõi thép đặt vào thanh dẫn bằng đồng và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vòng ngắn mạch bằng đồng tạo thành cái lồng sóc.
Hình 3.3. Cấu tạo rotor lồng sóc động cơ điện không đồng bộ ba pha
Ưu điểm: Giá thành rẻ và làm việc tin cậy và dùng rất phổ biến. Nhược điểm: Ít dùng trong truyền động điện.
3.1.3. Những đại lượng định mức
- Công suất hữu ích trên trục: Pđm (W, kW, HP) - Công suất điện định mức động cơ tiêu thụ:
- Momen quay định mức đầu trục:
- .Điện áp định mức: Uđm (V, kV) ghi hai trị số tương ứng cách đấu dây giữa đấu sao hay tam giác,
- Dòng điện dây định mức: Iđm (A) tương ứng với động cơ vận hành chế độ đấu sao hay tam giác.
- Tốc độ quay định mức: nđm (vòng/phút)
- Tần số định mức: fđm (hZ) thường tần số là 50 Hz hoặc 60 Hz - Hệ số công suất: cos
- Hiệu suất động cơ: đm
3.1.4. Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ
Giả thiết về chiều quay n1 của từ trường khe hở và của rotor n (hình vẽ 3.4). Theo qui tắc bàn tay phải, xác định được chiều sđđ E2 và I2; theo qui tắc bàn tay trái, xác định được lực F và mômen M. Ta thấy F cùng chiều quay của rotor, nghĩa là điện năng đưa tới stator, thông qua từ trường đã biến đổi thành cơ năng trên trục làm quay rotor theo chiều từ trường quay n1, như vậy máy làm việc ở chế độ động cơ điện. Rotor quay cùng chiều quay từ trường nhưng tốc độ quay rotor nhỏ hơn tốc độ của từ trường.
Hình 3.4. Nguyên lý quay động cơ điện không đồng bộ ba pha
Tốc độ quay n luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường quay n1 nên gọi là không đồng bộ. Độ chênh lệch giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ máy là tốc độ trượt n2 . Tốc độ trượt tính: n = n – n
Hệ số trượt tính theo biểu thức:
Khi rotor đứng yên thì hệ số trượt s = 1. Khi rotor quay định mức thì s = 0,02 0,06. Tốc độ quay động cơ là:
3.1.5. Mô hình toán và sơ đồ thay thế của động cơ điện không đồng bộ. 3.1.5.1. Phương trình điện áp dây quấn stator 3.1.5.1. Phương trình điện áp dây quấn stator
Nối dây quấn stator với nguồn điện 3 pha thì trong dây quấn có dòng điện. Phương trình điện dây quấn stator tương tự dây quấn sơ cấp của máy biến áp là:
Trong đó:
Z1 : tổng trở dây quấn stator E1 : sứ điện động pha stator.
3.1.5.2. Phương trình sức điện động dây quấn stator
Phương trình cân bằng sức điện động của dây quấn stator tương tự dây quấn sơ cấp của máy biến áp là:
E1 = 4,44fw1.kdq1.max Trong đó:
w1 : số vòng dây 1 pha stator.
max : biên độ từ trường một pha. kdq1: hệ số dây quấn.
3.1.5.3. Phương trình dây quấn rotor
Tần số sức điện động trong dây quấn rotor là: f2 = s.f
Khi rotor quay, sức điện động dây quấn rotor là: E2s = 4,44fw2.kdq2.max
Khi rotor đứng yên (s = 1), sức điện động dây quấn rotor là: E2 = 4,44fw2.kdq2.max
Gọi ke là hệ số quy đổi sức điện động rotor,
Trị hiệu dụng I2 là:
Sơ đồ thay thế của động cơ điện không đồng bộ
I2 U1 Rn Xn I0 R0 X0 R21 − s s
Hình 3.5. Sơ đồ thay thế động cơ điện không đồng bộ ba pha