Bài giảng Kỹ thuật điện - Chương 6: Máy biến áp

KỸ THUẬT ĐIỆN

CHƯƠNG VI

MÁY BIẾN ÁP

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

 Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ dùng biến đổi điện áp của dòng xoay chiều (tăng hoặc giảm) nhưng không làm thay đổi tần số của nó.

 Hiện nay, máy biến áp đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điện, dùng để truyền tải, phân phối điện năng.

 Trong chương này, ta nghiên cứu cụ thể một số loại máy biến áp thông dụng.

 Ngoài ra còn nhiền chức năng khác tuỳ thuộc mục đích sử dụng.

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

I. Cấu tạo máy biến áp

1.1. Lõi thép

- Lõi thép của máy biến áp được chế tạo bằng những vật liệu có độ dẫn từ cao vì nó được dùng để dẫn từ thông chính trong máy.

- Vật liệu chế tạo lõi thép là thép kỹ thuật điện (còn gọi là tôn silic).

- Để giảm tổn hao do dòng điện xoáy trong lõi (dòng Fuco), người ta không làm thành khối liền mà dùng các lá thép có chiều dày từ 0,3mm - 0,5mm, có phủ cách điện ghép

- Hình dạng khác nhau như hình chữ nhật, hình xuyến...

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Lõi thép EI Lõi thép UI

Lõi thép hình xuyến

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Lõi thép dạng cuộn

- Trụ từ: là nơi để đặt dây quấn,

Lõi thép được chia làm hai phần:

- Gông từ: là phần khép kín mạch từ giữa các trụ.

Trụ từ và gông từ tạo thành mạch từ khép kín

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Dây quấn máy biến áp thường được chế tạo bằng dây đồng (hoặc nhôm), tiết diện chữ nhật, hoặc tròn, phía ngoài có bọc cách điện.

1.2. Dây quấn

Dây quấn gồm nhiều vòng dây quấn quanh trụ từ. Giữa các vòng dây, giữa các dây quấn được cách điện với nhau và cách điện với lõi thép.

Dây quấn nhận điện áp vào → sơ cấp

Máy biến áp thường có 2 hoặc nhiều dây quấn.

Dây quấn đưa điện áp ra → thứ cấp

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Ký hiệu dây quấn sơ cấp, thứ cấp:

Các đại lượng ứng với dây quấn thứ cấp trong ký hiệu có ghi chỉ số 2: số vòng dây thứ cấp W2, điện áp thứ cấp U2, dòng điện thứ cấp I2, công suất đưa ra P2.

Các đại lượng ứng với dây quấn sơ cấp trong ký hiệu có ghi chỉ số 1: số vòng dây sơ cấp W1, điện áp sơ cấp U1, dòng điện sơ cấp I1, công suất vào P1 ...

Thường trong các máy biến áp có một cuộn sơ cấp, nhưng có thể có một hay nhiều cuộn thứ cấp. Lúc này trong ký hiệu còn ghi thêm số cuộn. Ví dụ W21, W22; U21,.. ;I21, I22...

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Khi các dây quấn đặt trên cùng một trụ:

Dây quấn điện áp thấp đặt sát trụ từ.

Dây quấn cao áp đặt lồng ra ngoài.

Làm như vậy sẽ giảm được vật liệu cách điện

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Hệ thống làm mát: Nhiệt lượng sinh ra trong dây quấn và lõi thép của máy biến áp cầ được thải ra môi trường xung quanh nhằm tránh hiện tượng tăng nhiệt độ làm hỏng máy.

1.3. Các phần phụ khác

- Làm mát khô: Làm mát bằng không khí, có loại không cưỡng bức và cưỡng bức

Ngoài ra, còn có các sứ xuyên ra để đấu dây quấn ra ngoài, có bộ phận chuyển mạch để điều chỉnh điện áp, rơle để bảo vệ máy, bình dãn dầu, thiết bị chống ẩm

- Làm mát ướt: Đặt lõi thép và dây quấn trong một thùng chứa dầu máy biến áp và hệ thống tản nhiệt (đối với các máy công suất lớn).

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Các lượng định mức

- Dung lượng định mức Sđm (VA, kVA, MVA) đó là công suất toàn phần mà máy có thể cung cấp

Thông số định mức:

- Điện áp sơ cấp và thứ cấp định mức: U1đm, U2đm (V, kV) - Dòng điện sơ cấp và thứ cấp định mức: I1đm, I2đm, (A, kA) - Ngoài ra trên biển máy còn ghi tần số định mức fđm, số pha, dòng điện không tải phần trăm, i0%, điện áp ngắn mạch phần trăm Un%, tổ nối dây

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

II. Nguyên lý làm việc của máy biến áp

Để nghiên cứu nguyên lý làm việc của máy biến áp ta xét máy biến áp một pha hai dây quấn

Dây quấn sơ cấp có W1 vòng, dây quấn thứ cấp có W2 vòng.

Cấp điện xoay chiều, điện áp U1 vào dây quấn sơ cấp, sẽ có dòng điện sơ cấp i1.

Dây quấn thứ cấp nối với tải.

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Dòng i1 sinh ra từ thông  biến thiên chạy trong lõi thép có chiều như hình vẽ (chiều của  thep quy tắc vặn nút chai), xuyên qua cả 2 dây quấn sơ cấp W1 và thứ cấp W2 và là từ thông chính của máy

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Dòng điện i1 biến thiên theo qui luật hàm sin → từ thông  biến thiên → theo định luật cảm ứng điện từ, ở các dây quấn có sức điện động cảm ứng.

Dây quấn sơ cấp → sức điện động e1

Dây quấn thứ cấp → sức điện động e2

Từ thông  biến thiên theo qui luật hàm sin

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Trị hiệu dụng của sđđ sơ cấp

Sức điện động dây quấn sơ cấp e1

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Sức điện động dây quấn thứ cấp e2

Trị hiệu dụng của sđđ thứ cấp:

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Sức điện động sơ cấp và thứ cấp có cùng tần số f nhưng trị hiệu dụng khác nhau

Tỉ số trị hiệu dụng sức điện động sơ cấp và thứ cấp

k – hệ số biến áp

Bỏ qua tổn thất điện áp trên các dây quấn w1 và w2 → U1  E1 ; U2  E2

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Tỷ số điện áp vào (sơ cấp) và điện áp ra (thứ cấp) đúng bằng tỷ số vòng dây tương ứng

k > 1 : máy biến áp hạ áp

k < 1 : máy biến áp tăng áp

Bỏ qua tổn hao trong máy, có thể coi gần đúng

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

III. Phương trình đặc trưng của máy biến áp

Xác định chiều của các đại lượng: Chiều dòng điện i1 → chiều từ thông  → Chiều sđđ e1, e2 → Chiều điện áp u2 và dòng điện i2

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

III. Phương trình đặc trưng của máy biến áp

Ngoài từ thông chính , trong máy còn có từ thông tản. Từ thông này móc vòng lấy các dây quấn và tản ra ngoài không khí .

Từ thông tản sơ cấp móc vòng dây quấn sơ cấp, và được đặc trưng bởi điện cảm tản L1

Từ thông tản thứ cấp móc vòng dây quấn thứ cấp, và được đặc trưng bởi điện cảm tản L2

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Mạch sơ cấp gồm nguồn điện áp u1, sức điện động e1 , điện trở dây quấn sơ cấp R1, điện cảm tản sơ cấp L1.

Để mô hình hóa các mạch điện sơ cấp ta chú ý đến chiều của các đại lượng sđđ, điện áp và dòng điện cùng các phần tử điện trở và điện cảm tản.

3.1. Phương trình điện áp sơ cấp

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Theo định luật Kiếchốp 2, ta có phương trình điện áp sơ cấp:

Dạng phức:

Tổng trở phức sơ cấp

Điện kháng tản sơ cấp

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

3.2. Phương trình điện áp thứ cấp

Mạch thứ cấp gồm sức điện động e1 , điện áp u2, điện trở dây quấn thứ cấp R2, điện cảm tản thứ cấp L2.

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Theo định luật Kiếchốp 2, ta có phương trình điện áp sơ cấp:

Dạng phức:

Tổng trở phức thứ cấp

Điện kháng tản thứ cấp

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

3.3. Phương trình cân bằng sức từ động

Trong phương trình điện áp sơ cấp điện áp rơi trên dây quấn I1Z1 thường rất nhỏ nên có thể gần đúng U1 = E1. Do điện áp đặt vào biến áp U1 không đổi nên E1= 4,44fW1max cũng không đổi vậy max cũng không đổi Chế độ không tải (I2=0), dòng sơ cấp lúc này là dòng không tải I0 nên sức từ động sơ cấp là i0 W1 sinh ra từ thông chính.

Khi máy biến áp mang tải (I20), lúc này sức từ động của máy là i1W1 + i2W2 sinh ra từ thông chính của máy.

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Do từ thông chính max không đổi nên sức từ động lúc không tải bằng sức từ động của máy lúc có tải:

Dạng phức:

I2’ Dòng điện thứ cấp qui đổi về sơ cấp

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Hệ phương trình đặc trưng cho máy biến áp (phương trình cân bằng điện áp sơ cấp, thứ cấp và phương trình cân bằng từ trong lõi thép

Từ hệ phương trình đặc trưng, xây dựng mô hình toán học, còn được gọi là sơ đồ thay thế của máy biến áp

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

IV. Mạch điện thay thế máy biến áp

4.1. Quy đổi các đại lượng thứ cấp về sơ cấp

Do dây quấn sơ cấp và thứ cấp liên hệ với nhau qua mạch từ, phải thực hiện phép quy đổi từ phía thứ cấp về sơ cấp để có liên hệ trực tiếp về điện

Các đại lượng thứ cấp qui đổi về sơ cấp:

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Phương trình cân bằng điện áp thứ cấp qui đổi về sơ cấp:

Phương trình này thỏa mãn điều kiện biến đổi tương đương: quá trình năng lượng không đổi.

Công suất trước và sau qui đổi:

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

4.2. Thiết lập sơ đồ thay thế máy biến áp

Trong hệ phương trình đặc trưng, (-E1) chính là điện áp rơi trên tổng trở Zth đặc trưng cho từ thông chính và tổn hao sắt từ.

Từ thông chính do dòng điện không tải I0 sinh ra nên:

Tổng trở từ hóa gồm hai thành phần:

Rth là điện trở từ hoá đặc trưng cho tổn hao sắt từ Xth là điện kháng từ hoá đặc trưng cho từ thông chính 

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Theo định luật Kiếchốp 1 và 2 thì hệ ba phương trình này chính là viết cho mạch điện có 2 nút và 3 nhánh (hoặc 2 vòng) bởi vì có 1 phương trình theo định luật 1 và 2 phương trình theo định luật 2

Thay giá trị tổng trở từ hóa vào hệ phương trình:

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Tổng trở từ hóa Zth rất lớn so với các tổng trở dây quấn sơ cấp Z1 và thứ cấp Z2, nên có thể đơn giản hóa sơ đồ thay thế:

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

IV. Mạch điện thay thế máy biến áp

’

Các tổng trở dây quấn sơ cấp Z1 và thứ cấp qui đổi về sơ cấp Z2 nối tiếp trên nhánh nên có thể biến đổi tương đương:

Rn = R1 + R’2 là điện trở ngắn mạch của máy biến áp Xn = X1 + X’2 là điện kháng ngắn mạch của máy biến áp

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

V. Chế độ không tải - thí nghiệm không tải

5.1. Chế độ không tải

Chế độ không tải của máy biến áp là chế độ phia thứ cấp hở mạch (I2 = 0) phía sơ cấp được đặt vào điện áp U1

Tổng trở không tải của máy biến áp

Phương trình cân bằng điện áp

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Đặc điểm chế độ không tải:

- Dòng điện không tải I0

Tổng trở Z0 rất lớn nên dòng điện không tải chỉ bẳng (2% ÷ 10%) dòng điện định mức

- Công suất không tải P0

Công suất P0 do tổn hao trên điện trở dây quấn sơ cấp PR1(tổn hao đồng dây quấn sơ cấp lúc không tải) và tổn hao sắt từ Pst.

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Điện trở từ hóa rất lớn so với điện trở dây quấn sơ cấp nên P0 chính là tổn hao sắt từ Pst.

- Công suất phản kháng không tải Q0 rất lớn so với P0

- Hệ số công suất không tải cosφ0

Hệ số công suất lúc không tải nhỏ, do đó không nên để máy biến áp chạy không tải hoặc non tải, ảnh hưởng xấu đến hệ số công suất của hệ thống điện

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

5.2. Thí nghiệm không tải

Thí nghiệm không tải xác định hệ số biến áp k, tổn hao sắt từ và các thông số không tải của máy

Sơ đồ thí nghiệm: V1, V2 đo điện áp sơ cấp và thứ cấp; A đo dòng điện không tải; W đo công suất tác dụng không tải.

Điện áp đặt vào máy là điện áp định mức U1đm.

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Thông số tính được từ kết quả thí nghiệm:

- Hệ số biến áp:

- Dòng điện không tải (dạng phần trăm):

- Điện trở không tải:

Do R0 = R1 + Rth và Rth » R1

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

- Tổng trở không tải:

- Điện kháng không tải:

- Hệ số công suất không tải:

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

VI. Chế độ ngắn mạch - thí nghiệm ngắn mạch

6.1. Chế độ ngắn mạch

Tổng trở nhánh từ hóa rất lớn hơn tổng trở dây quấn thứ cấp qui đổi về sơ cấp nên có thể bỏ nhánh từ hóa (dòng điện nhánh rất nhỏ).

Máy biến áp đang làm việc, đột nhiên phía thứ cấp bị nối tắt lại trong khi phía sơ cấp vẫn nối với điện áp nguồn gọi là chế độ ngắn mạch

Sơ đồ thay thế của máy biến áp chỉ còn tổng trở ngắn mạch.

Dòng điện sơ cấp được gọi là dòng ngắn mạch In

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

- Phương trình điện áp

- Dòng điện ngắn mạch In

Tổng trở ngắn mạch rất nhỏ nên dòng điện ngắn mạch thường lớn gấp 1025 lần dòng điện định mức.

Điều này rất nguy hiểm với các máy biến áp đang vận hành đột nhiên bị ngắn mạch phía thứ cấp.

Để tránh điều này người ta phải dùng các máy tự động cắt mạch ở cả 2 phía sơ cấp khi bị sự cố ngắn mạch, quá tải ...

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

6.2. Thí nghiệm ngắn mạch

Để tránh chế độ ngắn mạch, trong thí nghiệm ngắn mạch ta phải đưa vào điện áp ngắn mạch Un bằng cách tăng bộ phận điều chỉnh điện áp từ 0 đến khi dòng điện ở dây quấn sơ cấp bằng dòng định mức.

Thí nghiệm ngắn mạch xác định tổn hao trên các điện trở dây quấn sơ cấp và thứ cấp, các thông số ngắn mạch của máy

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Các dụng cụ đo: A1, A2 đo dòng điện sơ cấp và thứ cấp; V đo điện áp ngắn mạchi; W đo công suất tác dụng ngắn mạch.

Điện áp Un nhỏ, từ thông trong mạch từ nhỏ, có thể bỏ qua tổn hao sắt từ.

Công suất đo được ở thí nghiệm ngắn mạch Pn chính là tổn hao trong điện trở 2 dây quấn sơ cấp và thứ cấp (điện trở ngắn mạch).

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

- Điện trở ngắn mạch:

Thông số tính được từ kết quả thí nghiệm:

- Tổng trở ngắn mạch:

- Thông số sơ đồ thay thế:

- Điện kháng ngắn mạch:

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

- Thông số dây quấn thứ cấp:

- Hệ số công suất ngắn mạch:

Điện áp ngắn mạch có thể phân thành 2 thành phần:

Thành phần trên điện trở ngắn mạch Rn gọi là điện áp ngắn mạch tác dụng (ký hiệu UnR), Thành phần trên điện kháng ngắn mạch Xn gọi là điện áp ngắn mạch phản kháng (ký hiệu là UnX).

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Quan hệ giữa 2 thành phần điện áp ngắn mạch biểu diễn bằng tam giác tương tự với tam giác tổng trở ngắn mạch.

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Có thể tính Zn, Rn, Xn theo Un%, UnR%, UnX% thường được ghi trong lí lịch máy.

Điện áp ngắn mạch (dạng phần trăm %) có thể tính theo các đại lượng Zn, Rn, Xn, Sđm, U1đm, I1đm:

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

VII. Máy biến áp mang tải - tổn thất và hiệu suất

Hệ số tải đánh giá mức độ mang tải của máy so với định mức:

Các chế độ tải của máy:

k < 1 → máy non tải

k = 1 → máy ở tải định mức

k > 1 → máy quá tải

Một số đặc tính của máy khi mang tải → đặc tính ngoài của máy biến áp

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

7.1. Độ lệch điện áp thứ cấp khi mang tải - đường đặc tính ngoài

a) Độ lệch điện áp thứ cấp

Khi máy biến áp mang tải, nếu điện áp đặt vào sơ cấp là định mức, điện áp phụ tải U2 lệch với điện áp U2đm gọi là độ lệch điện áp thứ cấp, được tính:

Biểu diễn dưới dạng phần trăm:

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Đồ thị véc tơ:

Tính độ lệch điện áp thứ cấp có thể dùng sơ đồ thay thế đơn giản và phương pháp véc tơ:

C

H

O

θ

φt

K

A

B

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

C

H

O

θ

φt

K

A

B

Chiếu véc tơ U1 lên phương của véc tơ U2, góc lệch pha giữa U1 và U2 nhỏ nên:

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Thay các giá trị:

Biểu thức độ lệch điện áp:

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Nếu tính chất của tải không đổi (cost = const), độ lệch U2% tỉ lệ bậc nhất với kt và phụ thuộc tính chất của tải.

Đồ thị ΔU2% = f(kt)

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

b) Đặc tính ngoài của máy biến áp

Đặc tính ngoài của máy biến áp là đường biểu diễn quan hệ U2 = f(I2) khi U1 = U1đm; cost = const

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Đồ thị điện áp thứ cấp.

Tải dung (C) kt tăng thì U2 tăng Tải cảm (L) và trở (R) kt tăng thì U2 giảm (tải cảm U2 giảm nhiều hơn). Có thể điều chỉnh điện áp trên tải đến trị số mong muốn bằng cách thay đổi số vòng dây, thường ở dây quấn cao áp vì ở đó dòng điện nhỏ nên dễ thực hiện.

Các máy biến áp cho phép điều chỉnh số vòng dây trong phạm vi  5% nhờ chuyển mạch.

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

7.2. Tổn thất và hiệu suất của máy biến áp

Từ mạch điện thay thế ta có thể vẽ được giản đồ năng lượng trong máy biến áp

Công suất điện đưa vào P1

Tổn hao trên điện trở dây quấn sơ cấp Pđ1

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Tổn hao trong lõi thép Pst

Ψ2 – góc lệch pha giữa E2 và I2

Công suất điện từ đưa sang dây quấn thứ cấp Pđt

Tổn hao trên điện trở dây quấn thứ cấp Pđ2

Còn lại là công suất đầu ra P2

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Giản đồ năng lượng trong máy biến áp

Tổng tổn hao trên điện trở hai dây quấn ΔPđ

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Hiệu suất máy biến áp

Khi tính chất tải không đổi (cosφt = const) hiệu suất máy chỉ phụ thuộc vào hệ số tải kt

Tìm hệ số tải để hiệu suất cực đại → tìm cực trị của hàm η = f(kt)

km - hệ số tải cho hiệu suất cực đại

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Máy biến áp thường được làm việc với phụ tải trung bình kt = 0,50,7 Nhằm giảm tổn hao, thường máy biến áp có hiệu suất cực đại khi tải nằm trong khoảng tải trung bình

Hiệu suất máy biến áp có thể đạt η = 0,995

Đồ thị hiệu suất máy biến áp theo hệ số mang tải: η = f(kt)

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

VIII. Máy biến áp ba pha

8.1. Cấu tạo của máy biến áp ba pha

Có thể dùng ba máy biến áp một pha ghép lại để tạo thành một máy biến áp ba pha.

Máy biến áp ba pha loại này được gọi là loại máy biến áp ba pha có mạch từ độc lập.

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Máy biến áp ba pha 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 ba pha quấn trên ba trụ

Ký hiệu dây quấn của máy biến áp ba pha

Dây quấn cao áp: Pha A (A,X), pha B (B, Y), pha C (C, Z)

Dây quấn hạ áp: Pha A (a, x), pha B (b, y), pha C (c, z)

Dây quấn trung áp (nếu có): Pha A (Am, Xm), pha B (Bm, Ym), pha C (Cm, Zm).

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Các lượng định mức của máy biến áp ba pha

• Điện áp định mức U1đm, U2đm: điện áp dây

• Dòng điện định mức I1đm, I2đm: dòng điện dây

• Điện áp ngắn mạch phần trăm Un%; điện áp dây

• Công suất Sđm: công suất toàn phần ba pha

• Dòng điện không tải phần trăm I0%: dòng điện dây

• Điện trở, điện kháng, tổng trở: tính cho một pha.

• Các tổn hao P0, Pn: công suất tác dụng ba pha

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

8.2. Các kiểu nối 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 ().

- Ký hiệu cách nối dây: Cách nối sơ cấp/cách nối thứ cấp

- Hệ số biến áp pha kp: Tỷ số điện áp pha sơ cấp – thứ cấp

- Hệ số biến áp dây kd: Tỷ số điện áp dây sơ cấp – thứ cấp

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Biến áp nối Y/Δ Biến áp nối Y/Y Biến áp nối Δ/Δ

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Tổ nối dây máy biến áp ba pha

- Tổ nối dây cho biết góc lệch pha giữa điện áp dây sơ cấp và thứ cấp.

- Ký hiệu tổ nối dây: Bằng chữ số đằng sau cách nối dây quấn sơ cấp và thứ cấp. Có 12 tổ nối dây tương ứng với góc lệch 360o, như vậy mỗi đơn vị của tổ nối dây tương ứng với góc lệch 30o.

- Ví dụ: Tổ nối dây Y/Δ – 11: cho biết dây quấn sơ cấp nối Y, dây quấn thứ cấp nối Δ và góc lệch giữa điện áp dây tương ứng của sơ cấp và thứ cấp là 30o x 11 = 330o.

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

- Cách xác định tổ nối dây:

+ Vẽ đồ thị điện áp dây của dây quấn sơ cấp và dây quấn thứ cấp

+ Dịch chuyển một véc tơ điện áp dây của sơ cấp về vị trí kim phút ở số 12

+ Dịch chuyển véc tơ điện áp dây tương ứng của thứ cấp về vị trí kim giờ (góc dịch chuyển tương ứng sơ cấp)

+ Số chỉ giờ mà kim giờ chỉ bằng tổ nối dây

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Trong trường hợp không rõ chiều quấn dây của sơ cấp và thứ cấp có thể coi cùng chiều quấn, lúc này chỉ quan tâm đến ký hiệu đầu pha.

Khi xác định đồ thị điện áp dây, cần chú ý chiều quấn dây và ký hiệu đầu pha.

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

- Ví dụ: Xác định tổ nối dây của máy biến áp ba pha có sơ đồ nối dây hình bên.

Vẽ đồ thị véc tơ điện áp dây quấn sơ cấp (điện áp pha → điện áp dây) UAB Vẽ đồ thị véc tơ điện áp dây quấn thứ cấp (điện áp pha → điện áp dây) Uab

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Quay véc tơ điện áp dây UAB 30o theo chiều kim đồng hồ để chỉ số 12. Quay véc tơ điện áp dây Uab tương ứng 30o theo chiều kim đồng hồ, như vậy sẽ chỉ số 11.

Tổ nối dây sẽ là 11

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

IX. Máy biến áp làm việc song song

Khi cần công suất lớn (phụ tải tăng), cần phải đặt thêm máy biến áp mới và nối song song với máy biến áp đang làm việc.

Các máy biến áp làm việc song song có ý nghĩa:

+ Cho phép 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

Khi tải giảm xuống có thể cho một số 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.

+ Đảm bảo cung cấp điện liên tục, định kỳ bảo dưỡng, sửa chữa các máy biến áp.

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Sơ đồ máy biến áp làm việc song song:

Các máy I và máy II cùng biến đổi điện áp nguồn cấp cho tải.

Phía sơ cấp và thứ cấp của các máy được nối chung.

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Điều kiện để máy biến áp làm việc song song:

1. Có cùng điện áp định mức sơ cấp – thứ cấp

Các máy phải có cùng hệ số biến áp, thực tế cho phép sai lệch không quá 0,5%

2. Có cùng cách nối và tổ nối dây

3. Có cùng điện áp ngắn mạch phần trăm

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Ví dụ điều kiện 2: Giả thiết có hai máy cùng hệ số biến áp, cùng cách nối nhưng khác tổ nối (máy 1: Y/Δ – 11, máy 2: Y/Y – 12)

Sơ cấp nối chung nên điện áp phía sơ cấp của các máy trùng pha.

Với tổ nối dây khác nhau, góc lệch giữa điện áp thứ cấp máy 1 và máy 2 là 30o, có thể thể hiện trên đồ thị véc tơ:

Chênh lệch điện áp thứ cấp ΔU

300

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Do thứ cấp nối cung nên ngay khi không tải vẫn có dòng điện cân bằng trong dây quấn các máy

Tổng trở ngắn mạch của máy biến áp rất nhỏ, dòng điện cân bằng có trị số lớn có thể làm hỏng máy.

Điều kiện 3 đảm bảo cho sự phân bố tải tý lệ với công suất định mức của các máy.

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

X. Các máy biến áp đặc biệt

10.1. Máy biến áp tự ngẫu

Máy biến áp tự ngẫu (tự biến áp) thường có công suất nhỏ, khác máy biến áp thường ở chỗ dây quấn hạ áp là một phần của dây quấn cao áp.

Do vậy, dây quấn sơ cấp và dây quấn thứ cấp không chỉ có liên hệ về từ mà còn có liên hệ về điện

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Nguyên lý làm việc

Quá trình tạo thành các sức điện động ở các dây quấn không khác biến áp thường (biến áp hai dây quấn):

Khi có tải I2 ≠ 0, từ thông Φm trong máy không đổi (bằng lúc không tải):

I1 – dòng sơ cấp trên đoạn A-a I12 – dòng trên đoạn a-x

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Sức từ động không tải I0w1 rất nhỏ nên có thể coi stđ trong hai phần dây quấn A-a và a-x bằng nhau:

Dòng điện I12 nhỏ hơn dòng điện I1, nên đoạn a-x có thể dùng dây quấn có tiết diện bé hơn.

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Trong biến áp tự ngẫu, công suất từ dây quấn sơ cấp → thứ cấp theo: liên hệ về từ (như máy biến áp hai dây quấn cách li và liên hệ trực tiếp về điện (dây quấn thứ cấp là một phần dây quấn sơ cấp).

- Phần công suất điện từ của máy biến áp tự ngẫu nhỏ hơn biến áp cách li cùng công suất (1 – 1/ka) → lõi thép có tiế diện nhỏ hơn tương ứng.

- Nếu có cùng tiết diện lõi thép thì máy biến áp tự ngẫu có công suất lớn hơn 10 – 20%.

- Máy biến áp tự ngẫu có liên hệ trực tiếp về điện cao áp và hạ áp nên nguy hiểm (nếu độ chênh lệch điện áp cao áp và hạ áp lớn). Do vậy máy chỉ được chế tạo với hệ số biến áp nhỏ.

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Máy biến áp đo lường được dùng để mở rộng thang đo của các dụng cụ đo lường xoay chiều (có thể đo được các đại lượng điện áp và dòng điện với trị số lớn chỉ dùng dụng cụ đo thông thường)

Mạch sơ cấp của máy biến áp đo lường thường nối với lưới điện, mạch thứ cấp nối với dụng cụ đo, và thường được nối đất để tránh nguy hiểm cho người sử dụng khi rò điện từ cao áp sang.

Máy biến áp đo lường gồm máy biến điện áp và máy biến dòng điện (biến dòng)

10.2. Máy biến áp đo lường

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

a) Máy biến điện áp

Dùng biến đổi điện áp cao xuống điện áp thấp để có thể đo bằng các dụng cụ đo thông thường → w2 < w1 Thông thường người ta thiết kế cuộn thứ cấp có điện áp U2đm = 100V

Hệ số biến áp:

Cuộn w2 có thể nối với các dụng cụ đo: vôn mét, tần số kế (Hz), cuộn điện áp của Oátmét, cos mét, công tơ... Tổng trở dây quấn dụng cụ đo lớn nên trạng thái làm việc của máy biến điện áp gần không tải. Không để máy biến điện áp ngắn mạch thứ cấp

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

b) Máy biến dòng điện

Dùng biến đổi dòng điện lớn xuống dòng điện nhỏ để đo lường. Vì dòng thứ cấp nhỏ hơn sơ cấp nên số vòng dây thứ cấp lớn hơn số vòng dây sơ cấp.

Tỷ số biến dòng:

Cuộn sơ cấp nối với mạch cần đo, cuộn thứ cấp nối với dụng cụ đo có tổng trở nhỏ nên máy biến dòng gần như ngắn mạch.

Thường chế tạo thứ cấp có dòng định mức I2đm = 5A

Không để hở mạch thứ cấp máy biến dòng (điện áp cao)

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

10.3. Máy biến áp hàn

Máy biến áp hàn loại máy biến áp đặc biệt dùng để hàn bằng phương pháp hồ quang điện.

Máy biến áp hàn có điện kháng tản rất lớn và thêm cuộn điện kháng ngoài để cho dòng điện hàn không vươịt quá 2 đến 3 lần dòng điện định mức.

Đường đặc tính ngoài của máy biến áp hàn rất dốc phù hợp với yêu cầu hàn điện.

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Cuộn dây sơ cấp được nối với nguồn điện, cuộn thứ cấp một đầu được nối với cuộn điện kháng và que hàn, đầu kia nối với kim loại hàn

Sơ đồ nguyên lý:

Khi hàn, người ta đưa que hàn vào kim loại hàn, 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 hoá chất khí sinh hồ quang và toả ra nhiệt lượng lớn làm nóng chảy chỗ hàn.

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Muốn điều chỉnh dòng điện hàn, có thể thay đổi số vòng dây cuộn thứ cấp của máy hoặc thay đổi điện kháng cuộn K bằng cách thay đổi khe hở không khí của lõi thép.

Chế độ làm việc của máy biến áp hàn là ngắn mạch thứ cấp ngắn hạn lặp lại.

Điện áp thứ cấp định mức của máy biến áp hàn thường 60-75V

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

XI. Các ví dụ:

Ví dụ 1:

Máy biến áp một pha Sđm = 2500VA; U1đm = 220V; U2đm = 127V. Thí nghiệm không tải: U10 = 220V; I10 = 1,4A; P10 = 30W. Thí nghiệm ngắn mạch: I1n= I1đm = 11,35A; U1n = 8,8V; P1n = 80W. a) Tính các thông số sơ đồ thay thế

b) Khi tải R, L có cost = 0,8. Xác định hiệu suất và điện áp thứ cấp khi hệ số tải kt = 1; 0,5.

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Bài giải:

a) Thông số sơ đồ thay thế máy biến áp

- Tổng trở nhánh từ hóa

- Điện trở nhánh từ hóa

- Điện kháng nhánh từ hóa

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

- Điện trở ngắn mạch

- Điện kháng ngắn mạch

- Tổng trở ngắn mạch

- Điện trở sơ cấp

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

- Hệ số biến áp

- Điện trở thứ cấp

- Điện kháng sơ cấp

- Điện kháng thứ cấp

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

b) Hiệu suất máy biến áp – độ lệch điện áp thứ cấp

 Hiệu suất máy biến áp

- Khi tải định mức:

- Khi tải kt = 0,5:

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

 Độ lệch điện áp thứ cấp

Điện áp ngắn mạch phần trăm

Điện áp ngắn mạch tác dụng

Hệ số công suất ngắn mạch

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Điện áp ngắn mạch phản kháng

Điện áp thứ cấp

- Khi tải định mức:

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

- Khi tải kt = 0,5:

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Ví dụ 2:

Thông số định mức : Sđm = 2500 VA; U1đm = 220V; U2đm = 127 V; Thông số dây quấn R1 = 0,3; X1 = 0,25 ; R2 = 0,1 ; X2 = 0,083

Máy biến áp một pha

Thứ cấp nối với tải có tổng trở pha

Dùng sơ đồ thay thế gần đúng (coi I0 0) xác định: - Công suất tác dụng P1, công suất phản kháng Q1, hệ số công suất cos1 ở phía sơ cấp - Công suất tác dụng và phản kháng của tải, điện áp trên tải và độ biến thiên điện áp thứ cấp

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Bài giải:

Thông số sơ đồ thay thế:

Qui đổi đại lượng thức cấp về sơ cấp:

Hệ số biến áp:

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Từ sơ đồ tính được dòng điện sơ cấp và thứ cấp qui đổi

Hệ số công suất phía sơ cấp

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Công suất tác dụng phía sơ cấp

Công suất phản kháng phía sơ cấp

Tổng trở của tải

Dòng điện thứ cấp chưa qui đổi

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Điện áp trên tải (thứ cấp)

Độ lệch điện áp thứ cấp

Công suất của tải

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Ví dụ 3:

Một máy biến áp ba pha nối Y/ có Sđm = 60 kVA; U1đm = 35 kV; U2đm = 400V; I0%=11; Un% = 4,55; P0 = 502 W; Pn = 1200 W. a) Tính dòng điện định mức, dòng điện không tải, hệ số công suất không tải, điện áp ngắn mạch Un, hệ số công suất ngắn mạch cosn b) Thông số sơ đồ thay thế.

c) Tính hệ số tải khi hiệu suất cực đại.

Máy làm việc với tải R, L có cost = 0,9, hệ số tải kt = 0,5. d) Tính hiệu suất, công suất tác dụng và phản kháng, dòng điện, cos1 ở phía sơ cấp.

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

a) Tính I1đm, I2đm, I0, cosφ0, Un, cosφn

Bài giải:

- Dòng điện định mức, dòng điện không tải:

- Hệ số công suất không tải

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

- Điện áp ngắn mạch dây Un

- Điện áp ngắn mạch pha Unp (sơ cấp nối Y)

- Hệ số công suất ngắn mạch

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

b) Thông số sơ đồ thay thế:

- Điện trở nhánh từ hóa

- Điện kháng nhánh từ hóa

- Tổng trở nhánh từ hóa

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

- Điện trở ngắn mạch

- Tổng trở ngắn mạch

- Điện kháng ngắn mạch

- Hệ số biến áp pha

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

- Điện trở, điện kháng sơ cấp

- Điện trở, điện kháng thứ cấp

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

c) Tính hệ số tải khi hiệu suất cực đại

d) Tính hiệu suất máy khi tải có cosφt = 0,9, hệ số tải kt =0,5

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

- Công suất tác dụng phía sơ cấp

- Công suất phản kháng phía sơ cấp (bỏ qua từ thông tản)

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

- Công suất phản kháng (có tính từ thông tản)

- Công suất toàn phần phía sơ cấp

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

- Dòng điện sơ cấp I1

- Hệ số công suất sơ cấp cosφ1

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Một máy biến áp ba pha đấu Y/Y cung cấp điện cho tải nối tam giác, điện trở mỗi pha tải R = 6. Máy biến áp có các số liệu sau: U1đm = 3000 V; U2đm = 230V. Thông số các dây quấn R1 = 2,4 ; X1 = 4,4 ; X2 = 0,026 ; R2 = 0,0142 . Tính điện áp đặt lên mỗi pha của tải và công suất tải tiêu thụ khi điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp bằng định mức

Ví dụ 4:

Bài giải:

Dây quấn máy biến áp ba pha đấu Y/Y , tải phải biến đổi Δ→Y

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Máy biến áp ba pha đấu Y/Y → hệ số biến áp

Thông số thứ cấp, tải qui đổi về sơ cấp

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Theo sơ đồ thay thế gần đúng

Điệ áp pha trên tải nối Y

Điện áp pha trên tải nối Δ

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Dòng điện pha trên tải nối Δ

Công suất của tải

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Bài tập

Bài số 6.1

Một cuộn dây có lõi thép, mạch từ làm bằng thép kỹ thuật điện.

Tiết diện lõi thép S = 24 cm2, hệ số ép chặt k = 0,93.

Từ cảm trong lõi Bm = 1,2T Điện áp đặt vào cuộn dây u = 311sint ; f = 50Hz.

Hãy xác định từ thông max, sức điện động e của cuộn dây

Bài giải:

Từ thông trong lõi thép:

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Sức điện động trong dây quấn:

- Dây quấn không có điện trở được coi là phần tử thuần điện cảm. - Điện áp đặt vào có góc pha bằng 0o

- Phương trình cân bằng điện áp dây quấn

- Góc pha của sđđ E , chậm pha hơn điện ápU là 180o

- Sđđ e có trị số hiệu dụng bằng trị số điện áp

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Bài số 6.2

Một máy biến áp một pha hai dây quấn có các thông số: Sđm = 20.000 VA; fđm = 50Hz; U1đm = 126,8 kV; U2đm = 11 kV, tiết diện lõi thép S=35,95 cm2 (hệ số ép chặt bằng k = 1) từ cảm trong lõi thép Bm = 1,55 T. Tính số vòng dây W1 và W2

Bài giải:

Từ thông trong lõi thép máy biến áp:

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Từ biểu thức trị số hiệu dụng của sđđ sơ cấp, thứ cấp (bỏ qua tổn hao trên tổng trở dây quấn):

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Bài số 6.3

Máy biến áp một pha Sđm = 100kVA, U1đm= 2400 V; U2đm = 240 V; R1 =0,2 ; X1 = 0,45 ; R2 = 2 m; X2 = 4,5 m. a) Tính I1đm, I2đm, Rn, Xn. b) Tính Pn, P0 biết cost = 0,8, kt = 1,  = 0,982

Bài giải:

a) Dòng điện định mức, thông số ngắn mạch

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Hệ số biến áp

Điện trở, điện kháng ngắn mạch

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

b) Tổn hao ngắn mạch và không tải

Từ biểu thức hiệu suất máy biến áp

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Bài số 6.5.

Xác định tổ đấu dây của các máy biến áp ba pha có sơ đồ đấu dây như hình dưới đây

UAB

Uab

Y/Y - 12

Uab

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

UAB

B Uab

Uab

Δ/Δ - 12

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

UAB

Uab

Y/Δ - 11

CHƯƠNG VI : MÁY BIẾN ÁP

Một máy biến áp ba pha Sđm = 160 kVA; U1đm = 15 kV; U2đm = 400 V; P0 = 460 W; Pn = 2350 W; Un% = 4%; đấu Y/Y - 12. Biết R1  R’2, X1  X’2. a) Tính I1đm, I2đm, Rn, Xn, R1, R2, X1, X2. b) Tính  khi kt = 0,75, cost = 0,8. c) Tính U2%, U2 khi kt = 1, cost = 0,8 (t >0)

Bài số 6.6.