Để biến đổi điện áp trong hệ thống mạch điện xoay chiều ba pha, người ta sử dụng máy biến áp ba pha.
1. Cấu tạo của máy biến áp ba pha.
a. Mạch từ.
Gồm nhiều lá thép kỹ thuật điện ghép lại. Dựa vào quan hệ của các mạch từ giữa các pha, mạch từ được chia làm 2 dạng:
- Mạch từ riêng:
Nếu dùng ba máy biến áp một pha ghép lại để tạo thành một máy biến áp ba pha thì về cấu tạo của chúng như đã trình bày ở trên. Máy biến áp ba pha tạo ra từ ba máy biến áp một pha được gọi là loại máy biến áp ba pha có mạch từ độc lập (hình 2-24).
Hình 2-24. Máy biến áp ba pha mạch từ riêng.
- Mạch từ chung:
Máy biến áp có mạch từ khép kín gọi là máy biến áp ba pha có mạch từ liên quan.
Loại này có ba trụ và dây quấn trên ba trụ (hình 2-25).
Hình 2-25. Máy biến áp ba pha mạch từ chung.
b) Dây quấn.
Trờn mỗi trụ của lừi thộp được quấn cuộn sơ cấp và thứ cấp. Nguyờn liệu sử dụng làm dây quấn thường bằng đồng hoặc nhôm.
Các đầu đầu và đầu cuối của ba pha phải chọn 1 cách thống nhất, nếu không điện áp dây lấy ra sẽ mất tính đối xứng.
Để đơn giản và thuận tiện, người ta quy ước ký hiệu dây quấn của máy biến áp như sau:
Hình 2-26. Cách quy ước các đầu đầu Hình 2-27. Điện áp dây không và đầu cuối của dây quấn ba pha. đối xứng lúc ký hiệu ngược hay dấu ngược một pha.
Điện áp Dây quấn Ký hiệu đầu dây Ký hiệu cuối dây Trung tính Cao áp
Pha A A X
0
Pha B B Y
Pha C C Z
Trung áp
Pha A Am Xm
0m
Pha B Bm Ym
Pha C Cm Zm
Hạ áp Pha A a x
o
Pha B b y
Pha C c z
Với máy biến áp ba pha, các đại lượng định mức ghi trên nhãn máy biến áp có khác so với máy biến áp một pha. Cụ thể:
+ Điện áp định mức: U1đm, U2đm là điện áp dây định mức.
+ Dòng điện định mức: I1đm, I2đm là dòng điện dây định mức.
+ Sđm là công suất toàn phần của cả ba pha.
+ Un% là điện áp dây ngắn mạch tính theo phần trăm.
+ P0, Pn là công suất tổn hao không tải và ngắn mạch cho cả ba pha.
Nhưng điện trở, điện kháng, tổng trở chỉ ký hiệu cho một pha.
2. Các kiểu đấu dây của máy biến áp ba pha.
Dây quấn sơ cấp và thứ cấp có thể nối theo hình sao (Y) hoặc hình tam giác (Δ).
a) Đấu hình sao (Y):
Đấu ba đầu cuối X, Y, Z lại với nhau.
Hình 2-28. Đấu sao (Y). Hình 2-29. Đấu tam giác (Δ).
b) Đấu hình sao (Δ):
Đấu điểm đầu của pha này với điểm cuối của pha kia (hình 2-29).
3. Tổ nối dây của máy biến áp ba pha.
Tổ nối dây máy biến áp được hình thành do sự phối hợp kiểu dây quấn sơ cấp so với kiểu dây quấn thứ cấp. Nó được biểu thị góc lệch pha giữa sức điện động dây của dây quấn sơ cấp và sức điện động dây của dây quấn thứ cấp và góc lệch pha này phụ thuộc vào các yếu tố sau:
+ Chiều quấn dây;
+ Cách ký hiệu các đầu dây ra;
+ Kiểu nối dây quấn sơ cấp và thứ cấp.
a) Nối Δ/Y b) Nối Y/Y c) Nối Δ/Δ Hình 2-30. Sơ đồ nối dây máy biến áp ba pha.
Xét máy biến áp một pha hai dây quấn (hình 2-30); sơ cấp: AX; thứ cấp: ax.
Các trường hợp xảy ra như sau:
a) Hai dây quấn cùng chiều và ký hiệu tương ứng (hình 2-31a).
b) Hai dây quấn ngược chiều (hình 2-31b).
c) Đổi chiều ký hiệu một trong hai dây quấn (hình 2-31c).
Tổ nối dây máy biến áp một pha: kể từ véctơ sức điện động sơ cấp đến véctơ sức điện động thứ cấp theo chiều kim đồng hồ.
+ Trường hợp a: lệch pha 3600. + Trường hợp b, c: lệch pha 1800.
(a) (b) (c) Hình 2-31. Tổ nối dây của máy biến áp một pha.
Tổ nối dây máy biến áp: Ở máy biến áp ba pha do nối sao (Y) và tam giác (Δ) với những thứ tự khác nhau mà sức điện động dây quấn sơ cấp và sức điện động dây quấn thứ cấp là 300, 600, 900,…, 3600.
Thực tế không dùng độ để chỉ góc lệch pha mà dùng kim đồng hồ (hình 2-32) để biểu thị và gọi tên tổ nối dây máy biến áp, cách biểu thị như sau:
+ Kim dài cố định ở con số 12, chỉ sức điện động sơ cấp.
+ Kim ngắn chỉ 1, 2, 3, …, 12 ứng 300, 600, 900,…, 3600 chỉ sức điện động thứ cấp.
Trường hợp máy biến áp một pha:
+ Trường hợp a (hình 2-31): I/I-12.
+ Trường hợp b, c (hình 2-31): I/I-6.
Trường hợp máy biến áp ba pha:
+ Máy biến áp ba pha nối Y/Y:
IX. MÁY BIẾN ÁP LÀM VIỆC SONG SONG Khi công suất của phụ tải tăng lên, người
ta cần phải đặt thêm máy biến áp mới và nối song song với máy biến áp đang làm việc.
Nhờ làm việc song song công suất lưới điện lớn hơn nhiều so với công suất mỗi máy, cho phép nâng cao hiệu quả kinh tế của hệ thống điện, đảm bảo cung cấp điện liên tục, cũng như bảo dưỡng, sửa chữa định kỳ các máy biến áp. Khi tải giảm xuống có thể cho một máy nghỉ để các máy còn lại mang tải định mức, nâng cao được hiệu suất của các máy cũng như hệ số công suất của lưới điện (hình 2-32).
Máy biến áp làm việc song song tốt nhất nếu điện áp thứ cấp của chúng bằng nhau về trị số và trùng nhau về góc pha và nếu tải được phân phối theo tỉ lệ công suất máy giống nhau (hay hệ số tải bằng nhau). Muốn vậy phải có các điều kiện: cùng tổ nối dây, hệ số biến đổi điện áp k, và điện áp ngắn mạch un như nhau.
1. Điều kiện cùng tổ nối dây.
Cùng tổ nối dây điện áp thứ cấp sẽ trùng pha nhau. Khác tổ nối dây điện áp thứ cấp sẽ lệch pha nhau, và sự lệch pha này phụ thuộc vào tổ nối dây.
Ví dụ: Nối hai máy biến áp: máy thứ nhất I nối Y/Δ-11 và máy thứ hai II nối Y/Y-12 làm việc song song. Vậy điện áp thứ cấp hai máy sẽ lệch pha nhau một góc 300, trong mạch nối liền dây quấn thứ cấp sẽ xuất hiện một sức điện động:
ΔE = 2Esin150 = 0,518E (2-74)
Khi máy không tải, trong dây quấn sẽ có dòng điện cân bằng:
cb
nI nII
I ΔE
Z Z
= + (2-75)
Giả sử: ZnI = ZnII = 0,05
Hình 2-32. Máy biến áp ba pha làm việc song song.
cb
0,518
I 5,18
0,05 0,05
= =
+ lần Iđm
Như vậy dòng điện Icb = 5,18Iđm sẽ làm hỏng máy biến áp.
Hình 2-34. Sơ đồ ghép song song Hình 2-35. Sơ đồ điện áp và dòng máy biến áp một pha. điện của máy biến áp có tổ nối dây
khác nhau, làm việc song song.
2. Điều kiện cùng tỷ số biến đổi điện áp.
Nếu tỷ số biến đổi điện áp của hai máy khác nhau mà hai điều kiện còn lại thỏa mãn thì khi máy biến áp làm việc song song, điện áp thứ cấp không tải sẽ bằng nhau (E2I = E2II), trong mạch nối liền dây quấn thứ cấp của máy biến áp sẽ không có dòng điện chạy qua.
Giả sử kI ≠ kII, thì E2I ≠ E2II và khi không tải, trong mạch nối liền dây quấn thứ cấp của máy biến áp sẽ có dòng điện Icb chạy qua được sinh ra bởi điện áp:
ΔE = E2I - E2II (2-76)
cb
nI nII
I = ΔE
Z +Z (2-77)
(a) (b)
Hình 2-36. Đồ thị véctơ và sự phân phối tải củacác máy biến áp.
Dòng điện này sẽ chạy trong dây quấn máy biến áp sẽ theo hai chiều ngược nhau và chậm pha một góc 900 và r << x. Lúc này điện áp sẽ rơi trên dây quấn sẽ bù trừ với sức điện động, kết quả là trên mạch thứ cấp có điện áp thống nhất U2 (hình 2-36).
Kết quả khi máy biến áp mang tải, dòng điện tải It sẽ cộng với dòng điện cân bằng làm cho điều kiện làm việc của máy sẽ xấu đi, nghĩa là dòng điện trong máy không tỷ lệ với công suất của chúng, ảnh hưởng tới sự lợi dụng công suất của chúng.
Chú ý: k khác nhau 0,5% so với trị số trung bình của nó.
3. Điều kiện điện áp ngắn mạch bằng nhau.
Trị số ngắn mạch của các máy bằng nhau thì phụ tải sẽ phân bố theo tỷ lệ với công suất của chúng. Thật vậy, xét ba máy biến áp làm việc song song có điện áp ngắn mạch unI, unII, unIII. Nếu bỏ qua dòng điện từ hóa thì mạch điện có dạng như hình 2-37.
Tổng trở tương đương mạch điện:
nI nII nIII ni
1 1
Z = =
1 1 1 1
+ +
Z Z Z Z
Điện áp rơi trên mạch tương đương:
1 2
U = U + U' = Z I
(2-78)
Trong đó: I = I + I'1 2 dòng điện tổng của các máy biến áp, do đó dòng điện tải của mỗi pha:
2I
nI nI
ni
Z I I
I = =
Z Z 1
Z (2-79)
2II
nII nII
ni
Z I I
I = =
Z Z 1
Z (2-80)
2III
nIII nIII
ni
Z I I
I = =
Z Z 1
Z (2-81)
Thường nI nII nIII nên chuyển tính từ số phức sang tính môđun:
Ta có:
n n m
m
z = u U I
®
Từ dòng máy biến áp I, ta có: ® 2I
nI mi
mI mi
I = I
u I
I u®
® ®
(2-82)
Nhân hai vế cho m m
m m m
U U
S = U I
® ®
® ® ®
, ta có hệ số tải của các máy biến áp:
Hình 2-37. Mạch điện thay thế của các máy biến áp làm việc song song.
I nI mi
mi
= S u S
u
®
®
(2-83a)
II mi
nII
mi
= S u S
u
®
®
(2-83b)
III
nIII mi
mi
= S u S
u
®
®
(2-83c)
Từ các biểu thức (2-83a, b, c) ta thấy hệ số tải của các máy biến áp làm việc song song tỷ lệ nghịch với điện áp ngắn mạch của chúng:
I II II
nI nII nIII
1 1 1
: : = : :
u u u
(2-84)
Như vậy, các máy biến áp làm việc song song, có điện áp un bằng nhau, tải sẽ phân phối tỷ lệ với công suất của máy. Nếu un khác nhau, máy biến áp nào có un lớn, nhỏ còn un nhỏ, lớn. Khi máy có un nhỏ làm việc ở định mức thì máy biến áp có un lớn sẽ hụt tải, kết quả là không tận dụng hết công suất thiết kế của mỗi máy.
X. CÁC MÁY BIẾN ÁP ĐẶC BIỆT
Ngoài các máy biến áp một pha, ba pha, chúng ta còn nghiên cứu thêm một số máy biến áp đặc biệt khác: máy biến áp tự ngẫu, máy biến áp đo lường, máy biến áp hàn,…
1. Máy biến áp tự ngẫu (máy tự biến áp).
Máy biến áp tự ngẫu là loại máy biến áp mà ở đó ngoài sự liên hệ về từ còn có sự liên hệ trực tiếp với nhau về điện giữa dây quấn sơ cấp và dây quấn thứ cấp.
Nối thuận (a) Nối ngược (b) Hình 2-38. Sơ đồ MBA tự ngẫu một pha.
Ta thấy công suất truyền tải của máy biến áp tự ngẫu gồm hai thành phần:
1. Truyền qua nhờ từ trường trong lừi thộp.
2. Truyền dẫn trực tiếp.
Dung lượng thiết kế máy biến áp tự ngẫu là dung lượng truyền dẫn nhờ từ trường:
Stk = E1I1 = E2I2 (2-85)
Dung lượng máy biến áp tự ngẫu truyền qua lúc vận hành thực tế:
Stt = ECAICA = EHAIHA (2-86)
Tỷ số biến đổi điện áp của máy biến áp tự ngẫu:
1 1 2
2 2 1
U E I
U =E = I =k (2-87)
Tỷ số biến đổi điện áp của lưới điện:
CA HA
HA CA
U I
U = I =k thường k < 2,5 (2-88)
Xét trường hợp nối thuận (hình 2-38a):
( CA HA) CA
tk 2 2
tt CA CA CA CA
U U I
S E I 1
S U I U I 1 k
= = − = − (2-89)
Xét trường hợp nối ngược (hình 2-38b):
( CA HA) HA
tk 2 2
tt CA CA CA CA
U U I
S E I 1
(1 )k k 1
S U I U I k
= = − = − = − (2-90)
Như vậy kiểu nối thuận có lợi hơn nên được dùng trong thực tế.
Công dụng của máy biến áp tự ngẫu:
1. Máy biến áp tự ngẫu dùng để liên lạc giữa các hệ thống điện có các cấp điện áp khác nhau trong hệ thống điện.
2. Máy biến áp tự ngẫu dùng để mở các động cơ không đồng bộ công suất lớn.
3. Máy biến áp tự ngẫu dùng rộng rãi làm nguồn cho các thiết bị điện sinh hoạt.
4. Máy biến áp tự ngẫu dùng ở các phòng thí nghiệm để thay đổi điện áp liên tục.
Ưu nhược điểm của máy biến áp tự ngẫu:
+ Ưu điểm:
- Máy biến áp tự ngẫu chế tạo rẽ hơn máy biến áp hai dây quấn cùng công suất.
- Lúc vận hành tổn hao trong máy biến áp cũng nhỏ hơn:
tt tk
ΣP ΣP(1 1)
S =S −k nghĩa là tổn hao chỉ còn (1 1
−k) so với máy biến áp hai dây quấn.
- Điện áp ngắn mạch Un của máy biến áp tự ngẫu nhỏ còn (1 1
−k) so với máy biến áp hai dây quấn cùng công suất.
- Sụt áp trong máy biến áp tự ngẫu nhỏ vì Un nhỏ.
+ Nhược điểm:
- Vì Un nhỏ nên dòng điện ngắn mạch In lớn.
- Khi vận hành với lưới điện trung tính máy biến áp tự ngẫu phải nối đất nếu không sẽ không an toàn.
- Máy biến áp tự ngẫu yêu cầu cách điện cao hơn máy biến áp thường.
2. Máy biến điện áp.
Máy biến điện áp (hình 2-39a) dùng biến đổi điện áp cao thành điện áp nhỏ để đo lường và điều khiển. Công suất máy biến điện áp 251000VA.
Máy biến điện áp có dây quấn sơ cấp nối với lưới điện và dây quấn thứ cấp nối với vôn mét, cuộn dây áp của Watt kế, cuộn dây của các rơle bảo vệ hoặc các thiết bị bảo vệ khác (hình 2-39b). Các loại dụng cụ này có tổng trở Z rất lớn nên máy biến điện áp xem như làm việc ở chế độ không tải, do đó sai số về trị số nhỏ và bằng:
1
2 1
2 1
U W U
ΔU% W 100
U
−
= (2-91)
Góc u giữa U1 và U’2 (hình 2-40c) cũng nhỏ:
(a) (b) (c) Hình 2-39. Máy biến điện áp.
Cấp chính xác và sai số của máy biến điện áp:
Cấp chính xác 0,5 1 3
Sai số ΔU ± 0,5% ± 1% ± 3%
Sai số u ± 20’ ± 40’ Không qui định
Chú ý: Khi sử dụng máy biến điện áp không được nối tắt mạch thứ cấp vì nối tắt mạch thứ cấp tương đương nối tắt mạch sơ cấp nghĩa là gây sự cố ngắn mạch ở lưới điện.
3. Máy biến dòng điện.
Máy biến dòng điện dùng để biến dòng điện lớn thành dòng điện nhỏ để đo lường bằng các dụng cụ đo tiêu chuẩn và điều khiển. Công suất máy biến dòng điện:
5100VA.
Máy biến dòng điện (hình 2-40a) có dây quấn sơ cấp gồm ít vòng mắc nối tiếp với mạch cần đo dòng và dây quấn thứ cấp gồm nhiều vòng nối dây với ampe mét, cuộn dây dòng của Watt mét, cuộn dây của các rơle bảo vệ, hoặc các thiết bị điều khiển khác (hình 2-40b). Các loại dụng cụ này có tổng trở Z bé nên máy biến dòng điện làm việc ở trạng thỏi ngắn mạch, khi đú lừi thộp mỏy biến dũng điện khụng bóo hòa và Φ = (0,81)Wb, do đó sai số đo lường về trị số nhỏ và bằng:
2
2 1
1 1
I W I
ΔI% W 100
I
−
= (2-92)
(a) (b) (c) Hình 2-40. Máy biến dòng điện.
Cấp chính xác và sai số của máy biến dòng điện:
Cấp chính xác 0,2 0,5 1 3 10
Sai số ΔI ± 0,2% ± 0,5% ± 1% ± 3% ± 10%
Sai số i ± 10’ ± 40’ ± 80’ Không qui định
Chú ý: Khi sử dụng máy biến dòng điện không được thứ cấp hở mạch vì như vậy dũng điện từ húa I0 = I1 rất lớn và lừi thộp bóo hũa nghiờm trọng sẽ núng lờn làm chỏy dây quấn, hơn nữa từ thông bằng đầu sẽ sinh ra sức điện động ở dây quấn thứ cấp có thể xuất hiện điện áp cao hàng nghìn vôn làm cho dây quấn thứ cấp và người sử dụng không an toàn.
4. Máy biến áp hồ quang.
Là loại máy biến áp đặc biệt dùng để hàn bằng phương pháp hồ quang điện. Máy được chế tạo có điện kháng tản lớn và cuộn dây thứ cấp nối với điện kháng ngoài K để hạn chế dòng điện hàn. Vì thế đường đặc tính hàn rất dốc, phù hợp với yêu cầu hàn điện (hình 2-41).
Hình 2-41. Sơ đồ máy biến áp hàn hồ quang.
Cuộn dây sơ cấp nối với nguồn điện, cuộn dây thứ cấp một đầu nối với cuộn điện kháng K rồi nối tới que hàn, còn đầu kia nối với tấm kim loại cần hàn.
Máy biến áp làm việc ở chế độ ngắn mạch ngắn hạn dây quấn thứ cấp. Điện áp thứ cấp định mức của máy biến áp hàn thường là 6070V. Khi dí que hàn vào tấm kim loại, sẽ có dòng điện lớn chạy qua làm nóng chỗ tiếp xúc. Khi nhấc que hàn cách tấm kim loại một khoảng nhỏ, vì cường độ điện trường lớn làm ion hóa chất khí, sinh ra hồ quang và tỏa nhiệt lượng lớn làm nóng chảy chỗ hàn.
Để điều chỉnh dòng điện hàn, có thể thay đổi số vòng dây của dây quấn thứ cấp máy biến áp hàn hoặc thay đổi điện kháng ngoài bằng cách thay đổi khe hở không khí của lừi thộp K.