Giáo trình Máy điện 1 - Chương 3: Vận hành máy biến áp

Chia sẻ: Vo Quang Man | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:33

Thêm vào BST

Báo xấu

323
lượt xem 50
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình "Máy điện 1 - Chương 3: Vận hành máy biến áp" giới thiệu tới người học các nội dung: Giản đồ năng lượng của máy biến áp, độ thay đổi điện áp thứ cấp của máy biến áp, các phương pháp điều chỉnh điện áp của máy biến áp, máy biến áp làm việc song song. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Máy điện 1 - Chương 3: Vận hành máy biến áp

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN BỘ MÔN: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP MÁY ĐIỆN 1 2008
Chƣơng 3 VẬN HÀNH MÁY BIẾN ÁP Trong điều kiện làm việc bình thường của lưới điện, ta có thể phân phối tải đều cho cả ba pha, lúc đó MBA làm việc với điện áp đối xứng và dòng điện ở cả ba pha bằng nhau. Ta xét sự cân bằng năng lượng trong MBA, các đặc tính khi MBA làm việc riêng lẻ và khi làm việc song song vói các điều kiện điện áp sơ cấp và tần số không đổi. Ở dây, trường hợp tải đối xứng nên xét riêng từng pha. 3.1. GIẢN ĐỒ NĂNG LƢỢNG CỦA MÁY BIẾN ÁP Khi truyền năng lượng từ phía sơ cấp sang thứ cấp, trong máy biến áp có tổn hao năng lượng. Tổn hao này đốt nóng máy. Ta sẽ xét sự cân bằng năng lượng trong máy biến áp dựa trên sơ đồ thay thế (hình 3-1). R1 jX1 jX’2 R’2 I '  I / a I1 2 2 + I o + I I  U fe M  '  aU U  Z’t = a2Zt 1 2 2 Rfe jXM _ _ Hình 3-1 Mạch điện tương đương của MBA (qui đổi dây quấn thứ cấp về sơ cấp) Do máy làm việc trong chế độ tải đối xứng nên ta chỉ xét một pha nào đó. Công suất tác dụng đưa vào một pha của máy biến áp là: P1 = U1I1cos1 (3-1) Trong đó:  và dòng điện I 1 - góc lệch pha giữa điện áp U 1 1 Một phần công suất này bù vào tổn hao trên điện trở của dây quấn sơ cấp: pCu1  R1I12 và trên lõi thép do từ trễ và dòng điện xoáy: p fe  R fe I fe2 Phần còn lại là công suất điện từ chuyển từ sơ cấp sang thứ cấp nhờ từ trường trong lõi thép của máy biến áp lý tưởng:
Pđt  P1  (p Cu1  p fe )  E 2 I 2 cos 2 (3-2) Trong đó: 2 - góc lệch pha giữa sđđ E 2 và dòng điện I 2 Công suất mà máy biến áp đưa ra phụ tải P2 nhỏ hơn công suất điện từ một lượng chính bằng tổn hao trên điện trở của dây quấn thứ cấp pCu2  R 2I 22 : P2 = Pđt – pCu2 = U2I2cos2 (3-3) Trong đó: 2 - góc lệch pha giữa U  và dòng điện I 2 2 Giản đồ năng lượng của máy biến áp như trình bày trên hình 3-2 Hiệu suất MBA là tỉ số của công suất tác dụng ra và công suất vào: P2 P2    P1 P2   p Trong đó  p  p Cu1  p Cu 2  p fe là P2  jQ2 P1  jQ1 Pât  jQât tổng tổn hao trong MBA. Ngoài công suất tác dụng, máy biến áp còn nhận công suất phản kháng từ pcu2  jq2 pFe  jqm lưới điện pcu1  jq1 Q1 = U1I1sin1 (3-4) Hình 3-2 Giản đồ năng lượng MBA Một phần công suất này dùng tạo ra từ từ trường tản trên cuộn dây sơ cấp: q1  X1I12 và từ trường hỗ cảm trong lõi thép: QM  IM 2 XM (3-5) Phần còn lại được chuyển từ sơ cấp sang thứ cấp : Qđt = Q1 – q1 – Qm = E2I2sin2 (3-6) Công suất phản kháng đưa đến phụ tải là: Q2 = Qđt – q2 = U2I2sin2 (3-7) Trong đó: q 2  X 2 I 22 - công suất phản kháng để tạo từ trường tản của cuộn thứ cấp. Khi tải có tính cảm 2 > 0 nên Q2 > 0 và công suất phản kháng được truyền từ sơ cấp sang thứ cấp. Khi tải có tính dung 2 < 0 nên Q2 < 0 và công suất phản kháng được truyền từ thứ cấp sang sơ cấp. VÍ DỤ 3-1 Máy biến áp phụ tải một pha hai dây quấn có Sđm = 75kVA, U1đm = 4800V, U2đm = 240V, f = 60Hz và các thông số như sau : R1 = 2,4880; R2 = 0,0060; Rfe = 44202 X1 = 4,8384; X2 = 0,0121; XM = 7798,6
Máy biến áp đang vận hành 50% tải định mức khi điện áp định mức và hệ số công suất của tải là 0,96 (tải R-L). Xác định : (tính theo mạch điện thay thế 2.27) a. Tổng tổn hao trong MBA. b. Hiệu suất của máy biến áp. c. Công suất phản kháng MBA cấp cho tải. Bài giải a. Tổng tổn hao trong MBA Từ ví dụ 2-4, ta có kết quả: I 2  I 2 i  156 ,25  16,26 o A I'2  7,81  16,26 o A  I'2  7,81A ; Io  0,113  0,618 j  0,629   79,63 o A  Io  0,629 A I1  8,11  20,23 o A  I1  8,11A Các tổn hao trong máy biến áp : p Cu1  R 1I12  2,488  8,112  163,64 W p Cu 2  R 2 I 22  0,006  156 ,25 2  146 ,48 W p fe  R fe I fe2  44202  0,113 2  564 ,42 W Tổng tổn hao trong máy biến áp :  p  p Cu1  pCu 2  p fe  163,64  146,48  564,42  874,54 W b. Hiệu suất của máy biến áp Công suất đầu ra của máy biến áp : P2  U 2 I 2 cos2  240 156 ,25  0,96  36000 W Hiệu suất MBA là tỉ số của công suất ra và công suất vào: P2 P2    P1 P2   p 36000   0,976 hay   97 ,6% 36000  874 ,54 c. Công suất phản kháng máy biến áp cấp cho tải Q 2  U 2 I 2 sin  2  U 2 I 2 sin(cos1  2 )   240 156 ,25  sin(cos1 0,96)  10500 VAr 3.2. ĐỘ THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP THỨ CẤP CỦA MÁY BIẾN ÁP 3.2.1. Độ thay đổi điện áp Điện áp không đổi là yêu cầu đối với các loại tải (dân dụng, kinh doanh và công nghiệp). Điện áp ra của MBA phải trong giới hạn cho phép khi tải và hệ số công suất thay đổi. Yêu cầu này đặc biệt quan trọng đối với MBA phân phối khi cung cấp điện trực tiếp cho hộ tiêu thụ. Do ảnh hưởng của từ thông tản và điện trở
của dây quấn, trong máy biến áp có điện áp rơi và điện áp ra thay đổi khi tải thay đổi. Hiệu số điện áp ra khi không tải và điện áp ra khi tải định mức, chia cho điện áp ra khi tải định mức, gọi là độ thay đổi điện áp thứ cấp của máy biến áp. Như vậy: U 20  U 2đm U 2*  (3-8) U 2đm Trong đó: U20 - điện áp thứ cấp khi không tải. U2đm - điện áp thứ cấp khi tải định mức. Điện áp không tải U20 chính bằng sđđ phía hạ áp E HA (U20 = EHA) khi máy biến áp làm nhiệm vụ giảm điện áp. Từ hình 3-4a, điện áp trên phụ tải phía hạ áp được tính như sau: E HA  U   HA  I HA Z nHA (3-9) Trong đó, I – dòng điện tải phía hạ áp HA ZnHA – tổng trở ngắn mạch qui đổi về phía hạ áp  U HA – điện áp trên tải phía hạ áp E HA – sđđ cảm ứng trong dây quấn hạ áp (=U20) VÍ DỤ 3-2 Các thông số tương đương phía hạ áp máy biến áp một pha 250kVA, 4160/480V, 50Hz là RnHA = 0,0092, XnHA = 0,0433. Máy biến áp làm nhiệm vụ hạ điện áp và cung cấp dòng điện tải định mức ở điện áp thứ cấp định mức và cos=0,84, chậm sau. Tính (a) điện áp không tải; (b) điện áp đưa vào cuộn cao áp; (c) dòng điện cao áp; (d) tổng trở vào; (e) độ thay đổi điện áp; (f) độ thay đổi điện áp nếu cos = 0,84 vượt trước; (g) vẽ đồ thị véc tơ của mạch thứ cấp khi cos = 0,84 chậm sau. Bài giải Dòng điện hạ áp: S 250000 I HA    520,83 A UHA 480  = arccos0,84 = 32,860 Với tải chậm sau (có tính cảm), ta có:   4800o V U IHA  520,83  32,86o A HA Theo hình 2-29b ta có: E HA  I HA  R nHA  I HA  jX nHA  U  HA  520 ,83  32,86 0  0,0092  520 ,83  32,86 0  j0,0433  480 00  496 ,531,886 0 V Tỉ số biến đổi điện áp:
E CA U CA 4160 a    8,667 E HA U HA 480 Từ hình 2-29b ta có: U  E  aE  8,667  496,531,886o  4303,41,886o V 1 CA HA I 520,83  32,86o ICA  HA   60,09  32,86o A a 8,667 U 4303,41,886o Zv   1   71,6234,74o  ICA 60,09  32,86 o Độ thay đổi điện áp: E  U đm 496 ,53  480 U 2  HA   0,0334 hay 3,34% U đm 480 Với cos = 0,84 vượt trước, ta có:   4800o V U IHA  520,8332,86o A HA E HA  IHAR nHA  jIHAXnHA  U  HA  520 ,8332,86 o  0,0092  520 ,8332,86 o  j0,0433  480 0o   472 ,282,61o V E  U 2đm U 2*  HA U 2đm 472 ,28  480   0,0161 hay -1,61% 480 E HA  U 20 A  I jX HA nHA  U K HA 0 2 B E C I R HA nHA I HA Hình 3-3 Xác định U2 của MBA Như vậy khi tải có tính dung (vượt trước), điện áp ra tăng khi dòng điện phụ tải tăng. Sự tăng điện áp này là do sự cộng hưởng giữa điện kháng tản của máy biến áp và điện dung của tải. Điện áp rơi trên điện trở và điện kháng tản của máy biến áp là: IHAR nHA  520,83  32,86o  0,0092  4,79  32,86o V jIHAXnHA  520,83  32,86o  j0,0433  22,657,14o V Đồ thị véctơ các thành phần điện áp khi tải có tính cảm vẽ trên hình 3-3. 3.2.2. Tổng trở trong hệ đơn vị tƣơng đối
Các thông số của máy biến áp, cho bởi nhà sản xuất, ghi trên biển máy thường ở trong hệ đơn vị tương đối. Các thông số đó được định nghĩa là: Z n I đm Z*  (3-10) U đm R I R *  n đm (3-11) U đm X I X *  n đm (3-12) U đm Điện áp định mức Uđm và dòng điện định mức Iđm còn gọi là điện áp cơ sở và dòng điện cơ sở. Tổng trở tương đối thường được biểu diễn theo tổng trở cơ sở: U Z CS  đm (3-13) I đm Ta cũng có thể biểu diễn tổng trở cơ sở ZCS theo dung lượng của máy biến áp: U  U đm U đm 2 Z CS  đm  (3-14) I đm  U đm Sđm Như vậy ta có thể viết lại (3-10, 3-11, 3-12): Z I Z I Z Z*  n đm  n đm  n (3-15) U đm I đm Z CS Z CS R I R I R R *  n đm  n đm  n (3-16) U đm I đm Z CS Z CS X I X I X X*  n đm  n đm  n (3-17) U đm I đm Z CS Z CS Chú ý là Iđm, Uđm, Rn, Xn và Zn phải lấy cùng một phía, cao áp hay hạ áp. Tổng trở tương đương (hay tổng trở phần trăm) có cùng giá trị khi tính từ phía cao áp hay hạ áp. Đây là ưu điểm lớn khi tính toán hệ thống lớn có nhiều máy biến áp, mỗi máy có cấp điện áp khác nhau. Hệ thống đơn vị tương đối được dùng nhiều khi giải các bài toán về mạng điện có nhiều cấp điện áp khác nhau và trong giải tích mạng điện. Tổng trở tương đối, tính theo các thành phần của nó là: Z  R  jX (3-18) Z  R2  X2 (3-19) X tg   (3-20) R VÍ DỤ 3-3 Một máy biến áp 75kVA, 2400/240V, 50Hz có điện trở phần trăm là 0,9 và điện kháng phần trăm là 1,3. Tính (a) tổng trở phần trăm; (b) dòng điện định mức phía cao áp; (c) điện trở và điện kháng tương đương quy đổi về phía cao áp; (d) dòng điện sự cố khi thứ cấp máy biến áp bị ngắn mạch qua điện trở 0,016 ở điện áp sơ cấp 2300V.
Bài giải Tổng trở phần trăm của máy biến áp: Z  R2  X2  0,92  1,32  0,0158  1,58% S 75000 ICA    31,25 A UCA 2400 R U 0,009  2400 R nCA   CA   0,691  ICA 31,25 X U 0,013  2400 X nCA   CA   0,998  ICA 31,25 I CA RnCA jXnCA I I  I / a o CA HA I ZtCA = a2ZtHA I M fe Hình VD 3-3 Mạch tương đương MBA qui đổi về cao áp như trên hình 3-3. 2400 Tổng trở vào khi ngắn mạch: a  10 240 ZvCA  ZnCA  a 2 Znm = 0691 + j0,998 + 102. 0,016 = 2,49923,540  Dòng điện ngắn mạch:  I  UCA  23000 o  920  23,54o A ZvCA 2,49923,54 nm o 3.2.3. Tính độ thay đổi điện áp theo các thông số tƣơng đối Độ thay đổi điện áp của máy biến áp có thể tính từ hệ số công suất của tải và các thông số trong hệ đơn vị tương đối. Theo hình 3-4a ta có: E HA  IHAR nHA  jIHAX nHA U  HA (3-21) Trên hình 3-4b là đồ thị véctơ khi tải có tính cảm và 3-4c là đồ thị véc tơ khi tải có tính dung. Độ lớn của điện áp không tải là: EHA  (IHAR nHA  UHAcos)2  (IHAX nHA  UHAsin)2 (3-22) Như vậy độ thay đổi điện áp sẽ là:
(I HA R nHA  U HA cos  2 ) 2  (I HA X nHA  U HA sin  2 ) 2  U HA U 2*  U HA (3-23) 2 2 I R  I X  U 2*   HA nHA  cos  2    HA nHA  sin  2   1 (3-24)  U HA   U HA  Thay thế các điện trở và điện kháng tương đối ở (3-10) vào (3-17), ta có: U 2*  R n*  cos2 2  X n*  sin 2 2  1 (3-25) Chú ý: 2 là góc lệch pha của điện áp và dòng điện tải, góc này có thể là âm hoặc dương tùy tính chất của tải: 2  cos1 (hệ số công suất) : tải có tính cảm 2   cos1 (hệ số công suất) : tải có tính dung I  I / a I HA RnHA jXnHA CA HA  ZvCA  U  U V E CA E HA U ra HA (a) I jX HA nHA  sin U  U HA HA I R  cos HA nHA I HA U HA  I jX HA nHA  I HA  sin U HA I R  cos U  U HA nHA HA HA (b) (c) Hình 3-4 Mạch điện thay thế (a) và đồ thị véctơ khi tải có tính cảm (b), tính dung (c) VÍ DỤ 3-4 Một máy biến áp phân phối 50kVA, 7200/600V cung cấp dòng điện định mức cho tải có hệ số công suất cos = 0,75 chậm sau. Điện trở ngắn mạch phần trăm là 1,3 và điện kháng ngắn mạch phần trăm là 3,8. Tính: a. Độ thay đổi điện áp b. Điện áp thứ cấp khi không tải
c. Điện áp vào sơ cấp để có điện áp thứ cấp bằng định mức khi tải định mức và cos = 0,75 chậm sau. Bài giải Ta có:  = arccos(0,75) = 41,41o,  sin41,41o = 0,661 U 2*  R n*  cos2 2  X n*  sin 2 2  1 U 2*  0,013  0,752  0,038  0,6612  1 U2* = 1,035 – 1 = 0,035  U2% = 3,5% Điện áp không tải: U  U 2đm U 2*  20 = 0,035 U 2đm  U 20  U 2đm (1  U 2* )  600  (1  0,035 )  612 V Tỉ số điện áp nhận được từ các điện áp định mức xấp xỉ tỉ số biến đổi điện áp của máy biến áp lý tưởng trên hình 3-4a. Như vậy: ECA 7200   12 EHA 600 Khi không tải U20 = EHA, nên: ECA = EHA. a = 621 . 12 = 7452 V VÍ DỤ 3-5 Giả sử máy biến áp ở ví dụ 3-4 làm việc ở tải định mức và điện áp 600V nhưng hệ số công suất là 0,75 vượt trước. Tính (a) độ thay đổi điện áp của máy biến áp; (b) điện áp thứ cấp khi không tải; (c) điện áp vào phía sơ cấp. Bài giải Ta có:  = -arccos(0,75) = -41,41o; sin41,41o = -0,661 U 2*  R n*  cos2 2  X n*  sin 2 2  1 U 2*  0,013  0,752  0,038  0,6612  1 U2* = 0,9853 – 1 = -0,0147  U2% = -1,47% Điện áp không tải: U  U 2đm U 2*  20 = -0,0147 U 2đm  U 20  U 2đm (1  U 2* )  600  (1  0,0147 )  591,2V Tỉ số điện áp nhận được từ các điện áp định mức xấp xỉ tỉ số biến đổi điện áp của máy biến áp lý tưởng trên hình 3-4a. Như vậy:
ECA 7200   12 EHA 600 Khi không tải U20 = EHA, nên: ECA = EHA. a = 591,2 . 12 = 7094 V Phương trình (3-25) áp dụng cho tải định mức. Nếu phụ tải khác định mức ta có: U 2*  S*  R n*  cos2 2  S*  X n*  sin 2 2  1 (3-26) Trong đó: I S I*   S*  k I đm Sđm S - dung lượng trong hệ đơn vị tương đối S - dung lượng của tải Sđm - dung lượng định mức của máy biến áp I I*  k  - dòng điện trong hệ đơn vị tương đối (k gọi là hệ số tải) I đm I - dòng điện tải của MBA Iđm - dòng điện định mức của máy biến áp VÍ DỤ 3-6 Một máy biến áp 25kVA, 7620/480V cung cấp cho tải 10kVA có cos2 = 0,65 chậm sau. Điện áp rơi phần trăm trên điện trở ngắn mạch là 1,2 và trên điện kháng ngắn mạch là 1,4. Tính độ thay đổi điện áp của máy biến áp. Bài giải I S 10 Hệ số tải: k     0,4 I đm Sđm 25 2 = arccos0,65 = 49,49o  sin49,49o = 0,76 Thành phần tác dụng điện áp ngăn mạch phần trăm: IRn I.R n I đm I S 100  100  R n*100  R n*100  1,2 U đm U đm .I đm I đm Sđm S 1,2 25 1,2  R n*  đm     0,03 S 100 10 100 Tương tự, thành phần phản kháng điện áp ngăn mạch phần trăm: S 1,4 25 1,4  X n*  đm     0,035 S 100 10 100 U 2*  S*  R n*  cos2 2  S*  X n*  sin 2 2  1 U 2*  0,4  0,03  0,652  0,4  0,035  0,76 2  1 = 0,0185  U2% = 1,85% 3.2.4. Tính độ thay đổi điện áp theo điện áp ngắn mạch
Nhân tử và mẫu số công thức (3-5) cho tỉ số vòng a, ta có: aU 20  aU 2đm U10  U1đm U 2*   (3-27) aU 2đm U1đm Đồ thị vectơ của MBA ứng với mạch điện thay thế đơn giản vẽ trên hình 3-5. Trên thực tế góc lệch pha  giữa U  và U  ' rất nhỏ, để tính U2 từ A và C hạ 1 2 đường thẳng vuông góc xuống 0B, cắt 0B kéo dài tại E, có thể coi gần đúng: U10 = OA  OE U10 – U’2  U10 – U1đm  BE = BK + KE (3.28)  I  Tính: BK = I1 Rn1 cos2 = I1đmRn1  1  cos2 = kUnRcos2 (3.29)  I1.đm   I  KE = I1Xn1 sin2 = I1đmXn1  1  sin2 = kUnXsin2 (3.30)  I1.đm  Lấy (3.29) và (3.30) thay vào (3.28), sau đó thay vào (3.27), ta có: k ( U nR cos  2  U nX sin  2 ) U 2 %  100% U đm U cos  2 U sin  2 U 2 %  k ( nR  100  nX  100 ) U đm U đm U2% = k.(unR% cos2 + unX% sin2) (3.31a) U2% = k.un% (cosn. cos2 + sinn.sin2) (3.31b) U2% = k.un% cos(n-2) (3.31c) (n- 2) U  A 1  ' U 0 2 K E 2 B I ' jX 2 n1 I ' R C 2 n1 I  I ' 1 2 Hình 3-5 Xác định U2 của MBA trong đó, các thành phần điện áp ngắn mạch, ứng với dòng điện định mức: U u nR %  nR 100 %  u n % cos  n ; (3.32) U đm U u nX %  nX 100 %  u n % sin  n . (3.33) U đm Từ công thức (3.31) cho thấy độ biến thiên điện áp thứ cấp U2 phụ thuộc vào hệ số tải k và hệ số công suất của tải cos2. Quĩ tích các điểm A (U1) là đường cong (nét đứt trên hình 3-5) có bán kính ZnI1.
VÍ DỤ 3-7 Một máy biến áp 25kVA, 7620/480V cung cấp cho tải 10kVA có cos2 = 0,65 (chậm sau) khi điện áp thứ cấp định mức và điện áp rơi phần trăm trên điện trở ngắn mạch là 1,2 và trên điện kháng ngắn mạch là 1,4, ứng với dòng điện cung cấp cho tải. Tính độ thay đổi điện áp của máy biến áp và điện áp thứ cấp khi không tải. Bài giải I2 S 10 Hệ số tải: k     0,4 I 2đm Sđm 25 2 = arccos0,65 = 49,49o Các thành phần điện áp ngắn mạch: u nR %  u nR,tai % / k ; u nX %  u nX,tai % / k . Độ thay đổi điện áp thứ cấp : u u U2% = k.( nR.tai % cos2 + nX.tai % sin2) k k U2% = (1,2.cos49,49 + 1,4.sin49,49) = 1,844% Điện áp thứ cấp lúc không tải: U 20  (1  U 2* )U 2đm  (1  0,0184 )  480  488,8 V VÍ DỤ 3-8 Một máy biến áp 25kVA, 7620/480V cung cấp cho tải 10kVA có cos2 = 0,65 (vượt trước) khi điện áp thứ cấp định mức và điện áp ngắn mạch của máy là un% = 4,61 và unR% = 3; unX% = 3,5. Tính độ thay đổi điện áp của máy biến áp và điện áp thứ cấp khi không tải. Bài giải I2 S 10 Hệ số tải: k     0,4 I 2đm Sđm 25 2 = arccos0,65 = -49,49o (tải có tính dung) và n = arctg(3,5/3) = 49,40 Độ thay đổi điện áp: U2% = k.un% cos(n-2) U2% = 0,4 x 4,61 x cos(49,40 + 49,490) = -0,285% Điện áp thứ cấp khi không tải: U 20  (1  U 2* )U 2đm  (1  0,00285 )  480  478,6 V Qua ví dụ trên cho thấy, khi tải có tính dung, điện áp trên tải tăng khi tăng tải. 3.3. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP CỦA MÁY BIẾN ÁP Trong thực tế, để giữ cho điện áp không đổi khi tải thay đổi ta phải điều chỉnh tỉ số biến đổi điện áp a.
Người ta thường đặt các đầu phân nhánh ứng với số vòng dây khác nhau ở cuộn cao áp CA vì cuộn này có dòng điện nhỏ nên thiết bị đổi nối đơn giản. Các đầu phân áp này được tính với điện áp  5%Udm hoặc  2,5%Udm và 5%Udm. Cách bố trí bộ điều chỉnh điện áp như hình 3-6 3.3.1. Thay đổi số vòng dây khi máy ngừng làm việc Phương pháp này được dùng cho các máy biến áp hạ áp khi điện áp thứ cấp thay đổi hoặc khi điều chỉnh điện áp theo đồ thị phụ tải hàng năm. Đối với máy biến áp công suất nhỏ: một pha có 3 đầu phân nhánh : ± 5%Uđm. Đối với máy biến áp công suất lớn: một pha có 5 đầu phân nhánh: ± 22,5%Uđm Việc thực hiện đổi nối khi máy ngừng làm việc nên thiết bị đổi nối đơn giản, rẻ tiền, đặt trong thùng dầu và tay quay đặt trên nắp thùng. Các đầu phân áp đưa ra cuối cuộn dây nên việc cách điện chúng dễ dàng hơn (hình 3-7a). Các đầu phân áp đưa ra giữa cuộn dây thì lực điện từ đối xứng và từ trường tản phân bố sẽ đều (hình 3-7b). (a) (b)
3.3.2. Thay đổi số vòng dây khi máy đang làm việc (điều áp dƣới tải) Trong hệ thống điện lực công suất lớn, nhiều khi cần phải điều chỉnh điện áp khi máy biến áp đang làm việc để phân phối lại công suất tác dụng và phản kháng giữa các phân đoạn của hệ thống. Các máy biến áp này có tên gọi là máy biến áp điều chỉnh dưới tải. Điện áp thường được điều chỉnh từng 1% hay 1,25% trong phạm vi ± 10%Udm. Việc đổi nối các đầu phân áp trong máy biến áp điều chỉnh dưới tải phức tạp hơn và phải có cuộn kháng K (hình 3-8) để hạn chế dòng điện ngắn mạch của bộ phận dây quấn bị nối ngắn mạch khi thao tác đổi nối. Hình 3-8 cũng trình bày quá trình thao tác đổi nối từ đầu nhánh X1 sang đầu nhánh X2, trong đó T1, T2 là các tiếp xúc trượt; C, C2 là công-tắc-tơ. Ở vị trí (a và c) dòng qua cuộn kháng K theo hai chiều ngược nhau nên từ thông trong lõi thép gần bằng không, điện kháng X của cuộn kháng rất bé. Trong vị trí trung gian (b) dòng ngắn mạch chạy qua K cùng chiều nên có từ thông f và X lớn, làm giảm dòng ngắn mạch In. X T1 C1 X1 C1 X1 C1 T1 1 K K K C2 C2 T1 C2 T2 T2 X2 X2 T 2 X2 (a) (b) (c) Hình 3-8 Thiết bị đổi nối và quá trình điều chỉnh điện áp của MBA điều chỉnh dưới tải Công-tắc-tơ C1, C2 đặt riêng trong thùng dầu phụ gắn vào vách thùng dầu, vì quá trình đóng cắt công-tắc-tơ làm bẩn đầu. Trên hình 3-9 trình bày sơ đồ nguyên lý của bộ điều áp dưới tải dùng điện trở R. Điện trở R làm chức năng hạn chế dòng điện ngắn mạch. Hình 3-9 Nguyên lý điều áp dưới tải dùng điện trở R
3.4. HIỆU SUẤT CỦA MÁY BIẾN ÁP Hiệu suất của máy biến áp được xác định bằng tỉ số của công suất tác dụng ra và công suất vào: P2 P2   (3-34) P1 P2  pfe  ICA 2 R CA  IHA 2 R HA Trong đó: pfe  Pt  Px (3-35) Px  kx  f 2  Bmax 2 (3-36) Pt  kt  f  B1,6 max (3-37) U1 Do:  max  f 2 2  U1  nên: Px  f    U1 2 (3-38)  f  1,6 Pt  f  1  U (3-39)  f  Nói chung Pt > Px. Như ta thấy trong (3-38), tổn hao do dòng điện xoáy tỉ lệ với bình phương của điện áp đặt vào máy biến áp. Tổn hao do từ trễ phụ thuộc cả vào tần số và điện áp đặt vào máy biến áp. Như vậy, nếu tần số và điện áp đặt vào không thay đổi, tổng hao trong lõi thép sẽ không thay đổi. Sự thay đổi nhỏ của từ thông tản khi tải thay đổi ảnh hưởng rất ít đến tổn hao trong lõi thép. Tổn hao trên các điện trở của cuộn cao và hạ áp có thể biểu diễn nhờ điện trở tương đương quy đổi về phía cao áp hay phía hạ áp. 2 ICA R CA  IHA 2 R HA  ICA 2 R nCA  IHA 2 R nHA (3-40) Thay (3-40) vào (3-34), ta có hiệu suất MBA: P2 P2   (3-41) P1 P2  p fe  I 2 R n với I và Rn là các giá trị của phía cao áp hoặc phía hạ áp. Hiệu suất của máy biến áp  = (96  99)%. Máy biến áp càng lớn, hiệu suất càng cao. Khi không tải, P2 = 0 nên hiệu suất  = 0. VÍ DỤ 3-8 Một máy biến áp 50kVA, 450/230V, 50Hz có điện trở phần trăm là 1,25 và điện kháng phần trăm là 2,24. Hiệu suất của máy bằng 0,965 ở điện áp định mức, tần số định mức, dung lượng định mức và cos = 0,86 chậm sau. Tính (a) tổn hao công suất trong lõi thép; (b) tổn hao trong lõi thép nếu ba làm việc với dòng điện định mức, cos = 0,86 chậm sau, điện áp 375V, tần số 45Hz với giả thiết tổn hao từ trễ
bằng 0,71 tổng tổn hao trong lõi thép; (c) hiệu suất của máy trong điều kiện trên; (d) hiệu suất khi không tải. Bài giải Dòng điện phía cao áp: S 50000 ICA    111,11 A U 450 Điện trở tương đương phía cao áp: U 450 R n  R *  đm  0,0125 .  0,0506  I đm 111,11 Công suất đưa ra khỏi MBA: P2  Scos = 50000  0,86 = 43000 W Công suất đưa vào MBA: P2 43000 P1    44559,59 W  0,965 Tổn hao trong lõi thép: pFe  P1  P2  ICA 2 R nCA  44559,59  43000  111,112  0,0506  934,9 W Tổn hao do từ trễ và dòng điện xoáy: Pt,50 = 0,71  934,9 = 663,78 W Px,50 = 934,9 – 663,78 = 271,12 W Từ (3-38) ta có: 2  U45   375  2 Px,45  Px,50    271,12    188,28 W  50  U  450  Từ (3-39) ta có: 1, 6 45  U 50  1,6 45  375 50  Pt , 45  Pt ,50   45    663,78       528 ,19 W 50  U 50 45  50  450 45  Tổn hao trong lõi thép ở tần số 45Hz: Pfe,45 = 528,19 + 188,28 = 716,47 W Công suất đưa ra trong điều kiện này là: P2 = 375  111,11  0,86 = 35832,98 W I2R nCA  111,112  0,0506  624,68 W Hiệu suất là: P2 P2   P1 P2  p fe  I 2 R n 35832 ,98   0,9639   = 96,30% 35832 ,98  716 ,47  624 ,68
Tính hiệu suất theo thông số thí nghiệm MBA Trong thí nghiệm không tải và ngắn mạch, ta có: pfe = P0 – tổn hao sắt chính là tổn hao không tải MBA. 2  I  R n I   2  R n I đm 2  I*2  Pn  k 2 Pn (3-42)  I đm  Và P2  U 2 I 2 cos 2 I Trong đó, k  I*  - gọi là hệ số tải của MBA I đm P2  U 2 I 2 cos  Thay các tính toán trên vào công thức (3-41), ta được: U 2 I 2 cos  2  (3-43) U 2 I 2sos 2  Po  I 22 R n 2 Trong công thức (3-3), điện áp thứ cấp U2 thay đổi theo tải khoảng (25)%, có thể bỏ qua khi tính hiệu suất. Như vậy đối với hệ số công suất đã cho, hiệu suất biến thiên theo dòng điện tải, do đó: U 2 cos  2  (3-44) P  U 2 cos  2   o  I 2 R n 2   I2  Để hiệu suất cực đại với cos2 cho trước, mẫu số của (3-44) có giá trị nhỏ nhất, nghĩa là: I 22 R n  Po (3-45) Như vậy tổn hao đồng (thay đổi) = tổn hao sắt (không đổi) Từ công thức (3-44) và (3-45), ta có hệ số tải để hiệu suất cực đại: Po k (3-46) Pn Hiệu suất cực đại ứng với hệ số tải cực đại: S2 cos  2  (3-47) S2 cos  2  2  Po I2 Và P2  U 2 I 2 cos  2  U 2đmI đm (1  U 2 ) cos  2 I 2đm P2  I*Sđm (1  U 2 ) cos 2  I*Sđm cos 2 Thay các tính toán trên vào công thức (3-43), ta được hiệu suất gần đúng: I*Sđm cos  2  (3-48) I*Sđm cos  2  Po  I*2 Pn
VÍ DỤ 3-9 Một MBA giảm áp 3 pha có tổ nối dây Y/Yo, 160kVA, 22000/400V, 50Hz có dòng điện không tải io%= 1,7%; điện áp ngắn mạch un% = 4%; tổn hao không tải Po = 450W; tổn hao ngắn mạch Pn = 2150W. Tính : a. Dòng điện định mức, dòng không tải và hệ số công suất coso. b. Điện trở và điện kháng ngắn mạch qui đổi về phía cao áp của MBA. c. Hệ số tải để hiệu suất cực đại và hiệu suất ở hệ số tải này. Bài giải a. Dòng điện sơ cấp, thứ cấp định mức và hệ số công suất không tải : S âm Dòng điện định mức : I âm  3.U âm 160000 + Sơ cấp : I1âm   4,2 A 3  22000 160000 + Thứ cấp : I1âm   231 A 3  400 + Dòng điện không tải: io % 1,7 Io   I1âm  4,2  0,0714 A 100 100 + Hệ số công suất không tải : Po 450 cos o    0,1654 3.U o I o 3  22000  0,0714 b. Điện trở và điện kháng ngắn mạch qui về phía cao áp của MBA: u n % U1âm 4 22000 - Điện áp ngắn mạch : U nf      508 V 100 3 100 3 Pn 2150 - Điện trở ngắn mạch : R n1    40,63  3I n1 3  4,2 2 2 U n 508 - Tổng trở ngắn mạch : Z n1    120 ,95  I n1 4,2 - Điện kháng ngắn mạch : X n1  Z 2n1  R 2n1  120 ,95 2  40,63 2  113,92  c. Xác định hệ số tải để hiệu suất cực đại P0 450 k   0,4575 Pn 2150 - Hiệu suất MBA ứng với hệ số tải cực đại:
kS đm cos  2  kS đm cos  2  2  P0 0,4575  160000  0,8   0,98486 0,4575  160000  0,8  2  450    98,486 % Tính hiệu suất theo thông số MBA trong hệ đơn vị tƣơng đối Việc tính toán nhanh hiệu suất có thể thực hiện được nếu các thông số máy biến áp cho trong hệ đơn vị tương đối. Ta có: P2 S.cos   (3-49) P1 S.cos  pfe  I 2R n Chia tử số và mẫu số cho Sđm: S cos  Sđm  (3-50) S p fe I 2 R n cos    Sđm Sđm Sđm S Do:  S* (3-51) Sđm p fe  p fe * (3-52) Sđm 2 I2R n I2R n I  I   I đm R n    đm       R n* I*2 (3-53) Sđm U đm I đm I đm  I đm   U đm  nên: Scos  (3-54) Scos  pfe  I2R n Khi tải bằng tải định mức S  1 , I  1 nên: cos  (3-55) cos  pfe  R n VÍ DỤ 3-10 Một máy biến áp 100kVA, 4800/240V, 50Hz làm việc ở điều kiện định mức với cos = 0,8. Tổn hao trong lõi thép tính theo phần trăm là 0,45, điện trở tính theo phần trăm là 1,45, điện kháng tản tính theo phần trăm là 3,38. Tính hiệu suất ở tải định mức và ở 70% tải định mức. Bài giải Theo (3-55), ta có: