PhÇn thø hai
m¸y biÕn ¸p
ch−¬ng 8
Kh¸i niÖm chung vÒ m¸y biÕn ¸p (m.b.a)
8-1. §¹i c−¬ng
§Ó dÉn ®iÖn tõ c¸c tr¹m ph¸t ®iÖn ®Õn n¬i tiªu thô cÇn ph¶i cã ®−êng d©y t¶i ®iÖn
(h×nh 8-1). NÕu kho¶ng c¸ch gi÷a n¬i s¶n xuÊt ®iÖn vµ hé tiªu thô lín th× mét vÊn ®Ò
lín ®Æt ra vµ cÇn ®−îc gi¶i quyÕt lµ: viÖc truyÒn t¶i ®iÖn n¨ng ®i xa lµm sao cho kinh tÕ
nhÊt.
Nh− ta ®· biÕt, cïng mét c«ng suÊt truyÒn t¶i trªn ®−êng d©y, nÕu ®iÖn ¸p ®−îc
t¨ng cao th× dßng ®iÖn ch¹y trªn ®−êng d©y sÏ gi¶m xuèng, nh− vËy cã thÓ lµm tiÕt
diÖn d©y nhá ®i, do ®ã träng l−îng vµ chi phÝ d©y dÉn sÏ gi¶m xuèng, ®ång thêi tæn
hao n¨ng l−îng trªn ®−êng d©y còng gi¶m xuèng. V× thÕ, muèn truyÒn t¶i ®iÖn n¨ng ®i
xa, Ýt tæn hao vµ tiÕt kiÖm kim lo¹i mµu, trªn ®−êng d©y ng−êi ta ph¶i dïng ®iÖn ¸p
cao, th−êng lµ 35kV, 110 kV, 220 kV vµ 500 kV. Trªn thùc tÕ, c¸c m¸y ph¸t ®iÖn chØ
cã kh¶ n¨ng ph¸t ra ®iÖn ¸p cã gi¸ trÞ trong kho¶ng tõ 3 ®Õn 21 kV, do ®ã ph¶i cã thiÕt
bÞ ®Ó t¨ng ®iÖn ¸p ë ®Çu ®−êng d©y lªn. MÆt kh¸c, c¸c hé tiªu thô th−êng yªu cÇu ®iÖn
¸p thÊp, tõ 0,4 ®Õn 6 kV, do ®ã tíi ®©y ph¶i cã thiÕt bÞ gi¶m ®iÖn ¸p xuèng. Nh÷ng
thiÕt bÞ dïng ®Ó t¨ng ®iÖn ¸p ë ®Çu ra cña m¸y ph¸t ®iÖn, tøc lµ ë ®Çu ®−êng d©y dÉn
®iÖn vµ gi¶m ®iÖn ¸p khi tíi c¸c hé tiªu thô, tøc lµ ë cuèi ®−êng d©y dÉn ®iÖn gäi lµ
m¸y biÕn ¸p (viÕt t¾t lµ m.b.a).
Trong hÖ thèng ®iÖn lùc, muèn truyÒn t¶i vµ ph©n phèi c«ng suÊt tõ nhµ m¸y ®iÖn
tíi hé tiªu thô mét c¸ch hîp lý th−êng ph¶i qua ba, bèn lÇn t¨ng vµ gi¶m ®iÖn ¸p. Do
®ã tæng c«ng suÊt cña c¸c m.b.a trong hÖ thèng ®iÖn lùc th−êng gÊp ba, bèn lÇn tæng
c«ng suÊt cña c¸c tr¹m ph¸t ®iÖn. Nh÷ng m.b.a dïng trong hÖ thèng ®iÖn lùc gäi lµ
m.b.a ®iÖn lùc hay m.b.a c«ng suÊt. Nh− vËy m.b.a chØ lµm nhiÖm vô truyÒn t¶i vµ ph©n
phèi n¨ng l−îng chø kh«ng ph¶i lµ biÕn ho¸ n¨ng l−îng.
Ngoµi c¸c m.b.a lùc ®Ó truyÒn t¶i vµ ph©n phèi ®iÖn n¨ng cßn cã nhiÒu lo¹i m.b.a
dïng trong c¸c ngµnh chuyªn m«n nh−: m.b.a ®Æc biÖt dïng ®Ó chØnh l−u cho c¸c thiÕt
bÞ m¹, ®iÖn ph©n; m.b.a chuyªn dïng cho c¸c lß ®iÖn luyÖn kim; m.b.a hµn ®iÖn; m.b.a
dïng trong ®o l−êng, ®iÒu khiÓn, thÝ nghiÖm ...
MF§ MBA t¨ng ¸p §−êng d©y t¶i ®iÖn MBA gi¶m ¸p Hé tiªu thô
H×nh 8-1. S¬ ®å cung cÊp ®iÖn ®¬n gi¶n
77
8-2. Nguyªn lý lµm viÖc c¬ b¶n cña m.b.a
78
H×nh 8 - 2
Nguyªn lý lµm viÖc cña m¸y biÕn ¸p
W1 Z
t
I1 I2
W
2
2
3
1
~U1
XÐt m¸y biÕn ¸p mét pha hai d©y
quÊn nh− h×nh 8-2. D©y quÊn 1 cã w1
vßng d©y vµ d©y quÊn 2 cã w2 vßng
d©y ®−îc quÊn trªn lâi thÐp 3. Khi ®Æt
®iÖn ¸p xoay chiÒu u1 vµo d©
y
q
uÊn 1,
trong ®ã sÏ cã dßng ®iÖn i1. Trong lâi
thÐp sÏ sinh ra tõ th«ng Φ mãc vßng
víi c¶ d©y quÊn 1 vµ 2, c¶m øng ra
c¸c s.®.®. c¶m øng e1 vµ e2. S.®.®. e2
trong d©y quÊn 2 sÏ sinh ra dßng ®iÖn
i2 ®−a ra t¶i víi ®iÖn ¸p lµ u2. Nh− vËy
n¨ng l−îng cña dßng ®iÖn xoay chiÒu
®· ®−îc truyÒn tõ d©y quÊn 1 sang d©y
U
2
Φ
quÊn 2 th«ng qua tõ tr−êng trong lâi thÐp.
NÕu ®iÖn ¸p xoay chiÒu u1 ®Æt vµo d©y quÊn s¬ cÊp lµ mét hµm sè sin th× tõ th«ng
do nã sinh ra còng lµ mét hµm sè sin:
Φ = Φmsinωt (8-1)
Theo ®Þnh luËt c¶m øng ®iÖn tõ, s.®.®. c¶m øng trong c¸c d©y quÊn 1 vµ 2 sÏ lµ:
).sin(cos
sin
2
211111
π
ωωωφ
ω
φ
−=−=−=−= tEtw
dt
td
w
dt
d
we m
m (8-2a)
).
2
sin(2cos
sin
22222
π
ωωωφ
ωφ
φ
−=−=−=−= tEtw
dt
td
w
dt
d
we m
m (8-2b)
trong ®ã:
m
mm fw
fww
E
φ
π
ωφ
1
11
144,4
2
2
2=
Φ
== vµ m
mm fw
fww
E
φ
π
ωφ
2
22
244,4
2
2
2=
Φ
==
lµ trÞ sè hiÖu dông cña c¸c s.®.®. ë d©y quÊn 1 vµ 2.
C¸c biÓu thøc (8-2a,b) cho thÊy s.®.®. c¶m øng trong c¸c d©y quÊn chËm pha so víi
tõ th«ng sinh ra nã mét gãc π/2.
Ng−êi ta ®Þnh nghÜa tû sè biÕn ®æi cña m.b.a nh− sau:
2
1
2
1
w
w
E
E
k== (8-3)
NÕu bá qua ®iÖn ¸p r¬i trªn c¸c d©y quÊn th× cã thÓ coi U1 ≈ E1 ; U2 ≈ E2, do ®ã k
®−îc xem nh− lµ tû sè ®iÖn ¸p gi÷a c¸c d©y quÊn 1 vµ 2:
2
1
2
1
U
U
E
E
k≈= (8-4)
Tõ nguyªn lý lµm viÖc c¬ b¶n trªn ta cã thÓ ®Þnh nghÜa m.b.a nh− sau:
M.b.a lµ mét thiÕt bÞ ®iÖn tõ ®øng yªn, lµm viÖc trªn nguyªn lý c¶m øng ®iÖn tõ,
dïng ®Ó biÕn ®æi mét hÖ thèng dßng ®iÖn xoay chiÒu ë cÊp ®iÖn ¸p nµy thµnh mét hÖ
thèng dßng ®iÖn xoay chiÒu ë cÊp ®iÖn ¸p kh¸c, víi tÇn sè kh«ng ®æi.
M.b.a cã hai d©y quÊn gäi lµ m.b.a hai d©y quÊn. D©y quÊn nèi víi nguån ®Ó thu
n¨ng l−îng vµo gäi lµ d©y quÊn s¬ cÊp. D©y quÊn nèi víi t¶i ®Ó ®−a n¨ng l−îng ra gäi
lµ d©y quÊn thø cÊp. C¸c ®¹i l−îng nh− ®iÖn ¸p, dßng ®iÖn, c«ng suÊt... cña tõng d©y
quÊn ®−îc kÌm theo tªn gäi s¬ cÊp vµ thø cÊp t−¬ng øng (vÝ dô dßng ®iÖn s¬ cÊp I1,
®iÖn ¸p thø cÊp U2, ...). D©y quÊn cã ®iÖn ¸p cao gäi lµ d©y quÊn cao ¸p (viÕt t¾t lµ
CA), d©y quÊn cã ®iÖn ¸p thÊp gäi lµ d©y quÊn h¹ ¸p (viÕt t¾t lµ HA). NÕu ®iÖn ¸p thø
cÊp nhá h¬n ®iÖn ¸p s¬ cÊp ta cã m.b.a gi¶m ¸p, nÕu ®iÖn ¸p thø cÊp lín h¬n ®iÖn ¸p s¬
cÊp ta cã m.b.a t¨ng ¸p.
ë m.b.a ba d©y quÊn, ngoµi hai d©y quÊn CA vµ HA cßn cã d©y quÊn thø ba víi
®iÖn ¸p trung gian gi÷a gi¸ trÞ ®iÖn ¸p s¬ cÊp vµ gi¸ trÞ ®iÖn ¸p thø cÊp (viÕt t¾t lµ TA).
M.b.a biÕn ®æi hÖ thèng dßng ®iÖn xoay chiÒu mét pha gäi lµ m.b.a mét pha; m.b.a
biÕn ®æi hÖ thèng dßng ®iÖn xoay chiÒu ba pha gäi lµ m.b.a ba pha. M.b.a ng©m trong
dÇu gäi lµ m.b.a dÇu; m.b.a kh«ng ng©m trong dÇu (hay m.b.a lµm m¸t b»ng kh«ng
khÝ) gäi lµ m.b.a kh«.
8-3. ph©n lo¹i vµ kÕt cÊu cña m.b.a
8.3.1. Ph©n lo¹i m.b.a
Cã nhiÒu c¸ch ph©n lo¹i m.b.a, nh−ng theo c«ng dông, m.b.a ®−îc ph©n thµnh
nh÷ng lo¹i chÝnh sau ®©y:
1. M.b.a ®iÖn lùc dïng ®Ó truyÒn t¶i vµ ph©n phèi c«ng suÊt trong hÖ thèng ®iÖn
lùc.
2. M.b.a chuyªn dïng cho c¸c lß luyÖn kim, cho c¸c thiÕt bÞ chØnh l−u; m.b.a hµn
®iÖn; ...
3. M.b.a tù ngÉu biÕn ®æi ®iÖn ¸p trong ph¹m vi kh«ng lín l¾m dïng ®Ó më m¸y
c¸c ®éng c¬ ®iÖn xoay chiÒu.
4. M.b.a thÝ nghiÖm dïng ®Ó thÝ nghiÖm c¸c ®iÖn ¸p cao.
M.b.a cã rÊt nhiÒu, song thùc chÊt c¸c hiÖn t−îng x¶y ra trong chóng ®Òu gièng
nhau. §Ó thuËn tiÖn cho viÖc nghiªn cøu, sau ®©y ta chñ yÕu xÐt ®Õn m.b.a ®iÖn lùc hai
d©y quÊn mét pha vµ ba pha. C¸c m.b.a kh¸c sÏ ®−îc nghiªn cøu trong ch−¬ng 12.
8.3.2. CÊu t¹o cña m.b.a
M.b.a cã c¸c bé phËn chÝnh sau ®©y: lâi thÐp, d©y quÊn vµ vá m¸y.
1. Lâi thÐp
Lâi thÐp dïng lµm m¹ch dÉn tõ, ®ång thêi dïng lµm khung ®Ó quÊn d©y quÊn.
Theo h×nh d¸ng lâi thÐp ng−êi ta chia ra:
- M.b.a kiÓu lâi hay kiÓu trô (h×nh 8-3): D©y quÊn bao quanh trô thÐp. Lo¹i nµy rÊt
th«ng dông cho c¸c m.b.a mét pha vµ ba pha cã dung l−îng nhá vµ trung b×nh.
79
80
G
G1 2
1 2
T
T
G
a)
Φ
b)
H
×nh 8-
3
. M.b.a kiÓu lâi mét pha (a) vµ ba pha (b)
- M.b.a kiÓu bäc (h×nh 8-4): Lo¹i nµy m¹ch tõ ®−îc ph©n ra hai bªn vµ bäc lÊy mét
phÇn d©y quÊn. Lo¹i nµy th−êng chØ dïng trong mét vµi nghµnh chuyªn m«n ®Æc biÖt
nh− m.b.a dïng trong lß luyÖn kim hay m.b.a mét pha c«ng suÊt nhá dïng trong kü
G
G
H
×nh 8-
5
. M.b.a kiÓu trô- bäc mét pha (a) vµ ba pha (b)
a
)
thuËt v« tuyÕn ®iÖn, ©m thanh, .v.v.
ë c¸c m.b.a hiÖn ®¹i dung l−îng lín vµ cùc lín
(80 ÷ 100 MVA trªn mét pha), ®iÖn ¸p thËt cao (220 ÷
400 kV), ®Ó gi¶m chiÒu cao cña trô thÐp, tiÖn lîi cho
viÖc vËn chuyÓn th× m¹ch tõ cña m.b.a kiÓu trô ®−îc
ph©n nh¸nh sang hai bªn nªn m.b.a võa kiÓu trô, võa
kiÓu bäc, gäi lµ m.b.a kiÓu trô - bäc (h×nh 8-5).
H
×nh 8-
4
. M.b.a kiÓu b
ä
c
b
)
Lâi thÐp gåm cã hai phÇn: phÇn trô - ký hiÖu b»ng ch÷ T vµ phÇn g«ng - ký hiÖu
b»ng ch÷ G. Trô lµ phÇn lâi thÐp cã quÊn d©y quÊn, g«ng lµ phÇn lâi thÐp nèi c¸c trô l¹i
víi nhau thµnh m¹ch tõ kÝn vµ kh«ng cã d©y quÊn. §Ó gi¶m tæn hao do dßng ®iÖn xo¸y
g©y nªn, lâi thÐp ®−îc ghÐp b»ng nh÷ng l¸ thÐp kü thuËt ®iÖn dµy 0,35 mm cã phñ s¬n
c¸ch ®iÖn trªn bÒ mÆt. Trô vµ g«ng cã thÓ ghÐp víi nhau b»ng ph−¬ng ph¸p ghÐp nèi
hoÆc ghÐp xen kÏ. GhÐp nèi th× trô vµ g«ng ghÐp riªng sau ®ã dïng xµ Ðp vµ bu l«ng vÝt
chÆt l¹i (h×nh 8-6). GhÐp xen kÏ th× c¸c l¸ thÐp lµm trô vµ g«ng ph¶i ®−îc ghÐp ®ång
thêi, xen kÏ nhau tõng líp lÇn l−ît theo tr×nh tù a, b nh− ë h×nh 8-7. Sau khi ghÐp,
m¹ch tõ còng ®−îc vÝt chÆt b»ng xµ Ðp vµ bu l«ng. Ph−¬ng ph¸p ghÐp xen kÏ tuy phøc
t¹p h¬n nh−ng gi¶m ®−îc tæn hao do dßng ®iÖn xo¸y vµ t¨ng ®é bÒn c¬ häc, v× thÕ hÇu
hÕt c¸c m.b.a hiÖn nay ®Òu dïng kiÓu ghÐp nµy.
Do d©y quÊn th−êng quÊn thµnh h×nh trßn nªn tiÕt diÖn ngang cña trô thÐp th−êng
lµm thµnh h×nh bËc thang gÇn trßn (h×nh 8-8). G«ng tõ v× kh«ng quÊn d©y, do ®ã ®Ó
thuËn tiÖn cho viÖc chÕ t¹o, tiÕt diÖn ngang cña g«ng cã thÓ lµm ®¬n gi¶n: h×nh vu«ng,
h×nh ch÷ thËp hoÆc h×nh ch÷ T (h×nh 8-9).
V× lý do an toµn, toµn bé lâi thÐp ®−îc nèi ®iÖn víi vá m¸y vµ vá m¸y ph¶i ®−îc
nèi ®Êt.
a) b)
H×nh 8- 6
G
hÐ
p
rêi lâi thÐ
p
m.b.a
H
×nh 8-
7
GhÐp xen kÏ lâi thÐp m.b.a
H×nh 8-9. C¸c d¹ng tiÕt diÖn cña g«ng tõ.
H
×nh 8-8. TiÕt diÖn cña trô thÐp
2. D©y quÊn
D©y quÊn lµ bé phËn dÉn ®iÖn cña m.b.a, lµm nhiÖm vô thu n¨ng l−îng vµo vµ
truyÒn n¨ng l−îng ra. Kim lo¹i lµm d©y quÊn th−êng b»ng ®ång, còng cã thÓ lµm b»ng
nh«m nh−ng kh«ng phæ biÕn. Theo c¸ch s¾p xÕp d©y quÊn CA vµ HA, ng−êi ta chia ra
hai lo¹i d©y quÊn chÝnh: d©y quÊn ®ång t©m vµ d©y quÊn xen kÏ.
d)
c)
a) b)
H×nh 8-10. C¸c kiÓu d©y quÊn ®ång t©m: a) d©y trßn nhiÒu líp, b) d©y
bÑt hai líp. c) d©y quÊn h×nh xo¾n, d) d©y quÊn xo¸y èc liªn tôc
81