Cấu tạo và nguyên lí làm việc của máy biến áp

4.1. Đại cương về máy biến áp

4.1.2. Cấu tạo và nguyên lí làm việc của máy biến áp

Máy biến áp thường có cấu tạo từ ba bộ phận chính là lõi thép (mạch từ), dây quấn và vỏ máy.

a) Lõi thép

Lõi thép dùng để dẫn từ thông đồng thời làm khung để quấn dây, được chế tạo bằng các vật liệu dẫn từ tốt, thường là lá thép kỹ thuật điện có bề dày 0,35 ÷ 1mm, mặt ngoài các lá thép có sơn cách điện rồi ghép lại với nhau thành lõi thép. Các lá thép được ghép chặt với nhau bằng các bulông, ghép càng chặt thì khi làm việc càng ít tiếng ồn, nhưng nếu quá chặt có thể gây biến tính lá thép.

Lõi thép gồm có hai phần: phần trụ và phần gông.

Trụ là phần để đặt dây quấn (kí hiệu bằng chữ T).

Gông là phần khép kín mạch từ giữa các trụ (kí hiệu bằng chữ G).

Theo hình dáng lõi thép người ta chia máy biến áp thành hai kiểu: máy biến áp kiểu trụ (lõi) và máy biến áp kiểu bọc.

93 Máy biến áp kiểu trụ (Hình 4.1): Dây quấn bao quanh trụ thép. Loại này hiện nay được sử dụng nhiều cho các máy biến áp một pha và ba pha có công suất nhỏ và trung bình.

Hình 4.1 Các dạng lõi thép

a) Lõi MBA 1 pha kiểu trụ; b) Lõi MBA 3 pha kiểu trụ

Máy biến áp kiểu bọc: lõi thép được phân nhánh ra hai bên và bọc lấy một phần dây quấn. Loại này ít được dùng, chỉ dùng trong một vài trường hợp đặc biệt như dùng trong lò luyện kim, hay máy biến áp một pha công suất nhỏ trong kỹ thuật vô tuyến, âm thanh.

Đối với các máy biến áp dung lượng lớn (80 MVA  100 MVA trên một pha), điện áp cao (220 kV  400 kV) để giảm chiều cao của trụ và tiện lợi cho việc vận chuyển thì mạch từ của máy biến áp kiểu trụ được phân nhánh sang hai bên nên máy biến áp mang hình dáng vừa kiểu trụ vừa kiểu bọc, gọi là máy biến áp kiểu trụ - bọc.

b) Dây quấn

Dây quấn là phần dẫn điện của máy biến áp, làm nhiệm vụ nhận năng lượng vào và truyền năng lượng ra. Dây quấn máy biến áp thường làm bằng dây đồng hoặc dây nhôm, tiết diện tròn hoặc hình chữ nhật, bên ngoài dây dẫn có bọc cách điện.

Dây quấn gồm nhiều vòng dây và lồng vào trụ của lõi thép. Giữa các vòng dây, giữa các dây quấn, và giữa dây quấn với lõi thép đều có cách điện.

Máy biến áp thường có hai hoặc nhiều dây quấn. Khi các dây quấn đặt trên cùng một trụ thì dây quấn có điện hạ áp (vị trí 1 trên hình 4.1) quấn sát trụ còn dây quấn cao áp (2) đặt bên ngoài. Làm như vậy sẽ giảm được vật liệu cách điện.

Dây quấn máy biến áp có hai loại chính: dây quấn đồng tâm và dây quấn xen kẽ.

Dây quấn đồng tâm có tiết diện ngang là những vòng tròn đồng tâm. Những kiểu dây quấn đồng tâm chính là: dây quấn hình trụ (Hình 4.2a,b) dùng cho cả dây quấn cao áp và dây quấn hạ áp; dây quấn hình xoắn (Hình 4.2c) dùng cho dây quấn hạ áp có nhiều sợi chập; dây quấn hình xoáy ốc liên tục (Hình 4.3d) dùng cho dây quấn cao áp tiết diện hình chữ nhật.

94 Hình 4.2 Dây quấn máy biến áp

Dây quấn xen kẽ có các bánh dây cao áp và hạ áp đặt xen kẽ nhau dọc theo trụ thép. Để cách điện được dễ dàng bánh dây hạ áp thường đặt sát gông. Kiểu dây quấn này thường dùng trong các máy biến áp kiểu bọc. Vì chế tạo và cách điện khó khăn, kém vững chắc về cơ khí nên các máy biến áp kiểu trụ hầu như không được dùng kiểu dây quấn này.

c) Vỏ máy

Vỏ máy biến áp gồm hai bộ phận: thùng máy và nắp thùng.

- Thùng máy biến áp

Thùng máy biến áp làm bằng thép, thường có hình bầu dục bên trong chứa lõi thép, dây quấn và dầu máy biến áp.

- Nắp thùng máy biến áp

Nắp thùng máy biến áp cũng làm bằng thép dùng để đậy thùng và trên đó có đặt các bộ phận quan trọng như:

Sứ ra của dây quấn cao áp và hạ áp: dùng để cách điện.

Bình giãn dầu (bình dầu phụ): làm bằng thép có dạng hình trụ, được nối thông với thùng bằng một ống dẫn dầu, thông qua bình giãn dầu giãn nở tự do. Ống chỉ mức dầu đặt bên cạnh bình giãn dầu dùng để theo dõi mức dầu bên trong.

Ống bảo hiểm: làm bằng thép, thường là hình trụ nghiêng, một đầu nối với thùng, một đầu bịt bằng đĩa thuỷ tinh. Nếu vì một lý do nào đó áp suất thùng dầu tăng lên đột ngột, đĩa thuỷ tinh sẽ vỡ, dầu theo đó thoát ra ngoài để máy biến áp không bị hư hỏng.

Ngoài ra trên nắp còn đặt bộ phận truyền động của cầu dao đổi nối các đầu điều chỉnh điện áp của dây quấn cao áp, rơ le hơi để bảo vệ máy biến áp...

2) Nguyên lý làm việc của máy biến áp a) Máy biến áp một pha

Xét MBA một pha lý tưởng, có các tính chất sau: Cuộn dây không có điện trở;

Từ thông trong lõi thép móc vòng với cả hai dây quấn, không có từ thông tản và không

95 có tổn hao trong lõi thép; Độ từ thẩm của thép rất lớn, như vậy dòng từ hoá cần để sinh ra từ thông trong lõi thép rất nhỏ không đáng kể.

Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý của MBA một pha hai dây quấn 1. Cuộn dây sơ cấp ; 2. Cuộn dây thứ cấp ; 3. Lõi thép

Hình 4.3 vẽ sơ đồ nguyên lý của máy biến áp lý tưởng một pha hai dây quấn.

Dây quấn 1 có số vòng dây W1, được nối với nguồn điện áp xoay chiều u1, gọi là dây quấn sơ cấp. Kí hiệu các đại lượng phía dây quấn sơ cấp đều có chỉ số 1 kèm theo như: u1, e1, i1...Dây quấn 2 có số vòng dây W2, nối với phụ tải Zt gọi là dây quấn thứ cấp. Kí hiệu các đại lượng phía dây quấn thứ cấp đều có số 2 như: u2, e2, i2...

Khi đặt điện áp xoay chiều u1 vào dây quấn sơ cấp, trong dây quấn sơ cấp sẽ có dòng điện xoay chiều i1, dòng điện này sinh ra từ thông  chạy trong lõi thép. Từ thông biến thiên  móc vòng với cả hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp, theo định luật cảm ứng điện từ, cảm ứng ra các sức điện động ở các dây quấn này lần lượt là e1 và e2. Khi dây quấn thứ cấp nối với tải, trong dây quấn thứ cấp sẽ có dòng điện xoay chiều i2

đưa ra tải với điện áp là u2. Như vậy năng lượng của dòng điện xoay chiều đã được truyền từ dây quấn sơ cấp sang dây quấn thứ cấp.

Từ thông  móc vòng với cả hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp gọi là từ thông chính. Giả sử điện áp xoay chiều u1 đặt vào là một hàm sin thì từ thông  cũng là một hàm sin.

= msint (4.3)

Theo định luật cảm ứng điện từ, sức điện động (S.đ.đ) cảm ứng ở cuộn sơ cấp và thứ cấp lần lượt là:

e1 = -W1

dt

d = -W1mcost = mW1sin(t- 2

) = 2E1sin(t- 2

) (4.4)

e2 = -W2

dt

d = -W2mcost = mW2sin(t- 2

) = 2E2 sin(t- 2

) (4.5) Trong đó: E1, E2 lần lượt là trị số hiệu dụng của sức điện động cảm ứng ở dây quấn sơ cấp và thứ cấp.

96

m 1 1

m 1

m

1 4,44fW

2 W f 2 2

E   W      (4.6)

m 2 2

m 2

m

2 4,44fW

2 W f 2 2

E W    

 

  (4.7)

Từ các biểu thức (4.3), (4.4) và (4.5) cho ta thấy sức điện động cảm ứng trong các dây quấn chậm pha so với từ thông sinh ra nó một góc

2

. Tỷ số biến đổi của máy biến áp được định nghĩa là:

2

1 2

1

W W E

k E  (4.8)

Nếu không kể đến điện áp rơi trên các dây quấn thì có thể coi: U1  E1, U2  E2, do đó tỷ số biến đổi k của máy biến áp được tính là:

2

1 2

1

U U E

k E  (4.9)

Nếu k >1 thì U1 > U2 : MBA giảm áp.

k <1 thì U1 < U2 : MBA tăng áp.

b) Máy biến áp ba pha

MBA ba pha dùng để biến đổi hệ thống điện áp ba pha. MBA ba pha có thể gồm ba MBA một pha ghép lại hoặc dùng một MBA ba pha (hình 4.1b). Dây quấn các pha có các đầu dây được ký hiệu theo quy ước sau :

Dây quấn sơ cấp và thứ cấp có thể đấu hình sao hoặc hình tam giác. Nếu sơ cấp đấu  và sơ cấp đấu Y có trung tính thì kí hiệu là /Y0.

- Tỉ số điện áp pha: kp =

2 1 2p 1p

W W U

U 

Trong đó: W1là số vòng dây pha sơ cấp; W2là số vòng dây pha thứ cấp.

- Tỉ số điện áp dây không những chỉ phụ thuộc vào tỉ số vòng dây giữa sơ cấp và thứ cấp mà còn phụ thuộc cách nối hình sao hay tam giác:

+ Khi nối /Y: kd=

2 1 p

2 p 1 2d

1d

W 3 W U

3 U U

U  

+ Khi nối /: kd=

2 1 p 2

p 1 2d 1d

W W U

U U

U  

Đầu dây Cao áp Hạ áp Trung tính

Đầu đầu A B C

X Y Z

a b c

x y z

O (N)

Đầu cuối o (n)

97 + Khi nối Y/Y: kd=

2 1 p 2

p 1 2d

1d

W W U

3 U 3 U

U  

+ Khi nối Y/: kd=

2 1 p

2 p 1 2d

1d

W W 3 U

U 3 U

U  

Thực tế, khi các MBA làm việc song song thì người ta rất quan tâm đến góc lệch pha giữa điện áp dây sơ cấp và điện áp dây thứ cấp. Chính vì vậy khi kí hiệu tổ nối dây của MBA còn có thêm chữ số 1, 2, ... 12 chỉ góc lệch pha này. Góc lệch pha sẽ bằng số chỉ góc lệch nhân với 300. Ví dụ tổ nối dây Y/Y-12 thì góc lệch pha giữa điện áp dây sơ cấp và thứ cấp là 12x300 = 3600 tức là trùng pha nhau.

Đối với MBA ba pha đối xứng, khi nghiên cứu chỉ cần xét một pha tương tự như MBA một pha đã xét ở trên. Vì thế khi tính toán trên sơ đồ thay thế ta cần tính các thông số pha.

Ví dụ 4.1. Hãy tính dòng điện định mức của máy biến áp ba pha khi biết các số liệu sau: Sđm=100 KVA ; U1đm=6KV; U2đm=230V.

Bài giải:

I1đm= 9,62 A 10

. 6 . 3

10 . 100

3

3  I2đm= 251 A

230 . 3

10 . 100 3 