Kỹ thuật điện_ Phần 1.1

Chia sẻ: Vu Xuan Thanh | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:17

Thêm vào BST

Báo xấu

461
lượt xem 180
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu tham khảo môn kỹ thuật điện_ Phần 1.1 " Cấu tạo, nguyên lý làm việc của máy biến áp" dành cho các bạn học viên, sinh viên đang theo học các ngành liên quan đến điện- điện tử.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Kỹ thuật điện_ Phần 1.1

PHẦN 1 CÁC MÁY BIẾN ÁP CHƯƠNG I CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP 1.1 Mở đầu. Biến áp là một thiết bị điện từ dùng để thực hiện những nhiệm vụ khác nhau. Nhiệm vụ chủ yếu là biến đổi năng lượng điện xoay chiều có điện áp và dòng điện ở giá trị này vào năng lượng điện xoay chiều có điện áp và dòng điện ở giá trị khác khi tần số không đổi. Biến áp được dùng nhiều trong công nghiệp gửi năng lượng điện đi xa. Sở dĩ như vậy vì năng lượng gửi đi xa được biểu diễn bởi S=UI, muốn giảm tổn hao và tiết kiệm dây dẫn ta phải giảm dòng (I) và tăng điện áp U để cho S=const.Trên đường dây gửi năng lượng điện đi xa điện áp có giá trị từ 6KV đến 500KV, trong khi dó điện áp nơi sử dụng có giá trị khoảng 110-220V, nên ta phải hạ điện áp. Mặt khác trên đường truyền năng lượng điện áp bị giảm, để giữ cho điện áp không đổi ta phải dùng biến áp trung gian. Tóm lại trên đường dây gửi năng lượng đi xa ta cần các biến áp sau: -Biến áp nâng áp đặt ngay tại trạm phát điện vì điện áp máy phát điện cao nhất cũng chỉ khoảng 6KV -Biến áp trung gian đảm bảo điện áp gửi đi không bị suy giảm -Biến áp hạ áp đặt nơi tiêu thụ. Ngoài ra biến áp còn được dùng trong các nhà máy, các khu dân cư để điều hoà năng lượng điện; được dùng cho các bộ biến đổi tĩnh hoặc dùng trong công nghiệp cho những mục đích cụ thể khác. Biến áp còn được dùng làm biến áp đo lường như biến dòng, biến áp đo điện áp. Các biến áp có công suất nhỏ dùng trong gia đình dạng sun-von-tơ hay biến áp dùng trong tuyền thông... Trên vỏ của máy biến áp bao giờ cũng có bảng định mức. Ở bảng định mức phải cho các đại lượng sau: -Điện áp định mức của từng cuộn dây -Công suất định mức hoặc công suất định mức của từng cuộn dây (cho ở dạng VA, KVA hoặc MVA). -Tần số định mức -Tổ nối dây của biến áp 3 pha -Điện áp ngắn mạch của mỗi cuộn dây -Trọng lượng của toàn biến áp.. Trên bảng định mức của biến áp, công suất phải cho ở dạng biểu kiến vì biến áp phải cung cấp cả công suất tác dụng và kháng cho các tải khác nhau. Ở đây ta đưa ra khái niệm của đại lượng định mức; 16
Giá trị định mức là giá trị qui định sẵn của nhà máy sản xuất. Khi làm việc lâu dài với các giá trị này không gây hỏng hóc cho máy. 1.2 Phân loại biến áp Dựa vào số pha máy biến áp được chia ra: -Máy biến áp 1 pha -Máy biến áp nhiều pha (ba pha và nhiều hơn 3 pha) b-Theo hệ số biến áp (ku) máy biến áp được chia thành: -Máy biến áp tăng áp nếu ku1 -Máy biến áp cách li nếu ku=1 c- Phân loại theo công dụng -Biến áp năng lượng -Biến áp dùng trong các bộ biến đổi tĩnh -Biến áp đặc biệt Biến áp đặc biệt lại chia ra: - Biến áp hàn -Biến áp đo lường -Biến áp tự ngẫu.. 1.3 Cấu tạo của máy biến áp. 1.3.1. Lõi thép Lõi thép là mạch từ của máy biến áp, nó được ghép bằng các lá thép điện kỹ thuật mỏng, được cách điện đối với nhau để chống tổn hao do dòng Fucô. Thép được cán nóng hoặc lạnh. Các lá thép được gắn chặt với nhau bằng các đinh ốc, ghép càng chặt thì khi làm việc càng ít tiếng ồn. Sự ồn của biến áp là do hiện tượng từ. Khoảng cách giữa các cột của lõi thép gọi là cửa sổ. Số đo của của sổ phụ thuộc vào tiết diện dây dẫn, vào số vòng dây của cuộn dây. Các lá thép được cắt thành những tấm nhỏ và được ghép theo một trong các cách như ở hình 1.1 a,b để hình thành lõi thép hình 1.2 a,b a) b) Hình 1.1 Cách ghép lá thép lõi biến áp 17
Ghép lá thép mhư hình 1.1a có nhược điểm sau: nếu ta không dùng một lớp cách điện đặt ở chỗ tiếp xúcgiữa gông từ và cột sẽ gây ngắn mạch từ, sinh ra dòng Fucô gây nóng cục bộ. Nếu dùng một lớp cách điện thì từ trở lại tăng (do khe khí tăng) làm tăng dòng không tải. Ghép theo hình 1.1b nhược điểm trên bị loại trừ. Với loại thép cán nguội thì ghép theo hình 1.b là tốt nhất vì chiều cán của thép có độ thẩm từ tốt nhất. 1 2 2 2 1 b) a) Hình 1.2 Lõi thép và cuộn dây máy biến áp 1-gông từ, 2-cột Cuộn dây biến áp thường có dạng hình trụ để chống các lực điện từ. Việc tạo lõi thép có dạng hình trụ gặp nhiều khó khăn nên người ta làm lõi thép có nhiều bậc để gần hình trụ nhất (hình 1.3c) a) c) b) Hình 1.3 Cấu trúc cột lõi thép của các biến áp a),b) công suất nhỏ c) công suất lớn. 1.3.2 Cuộn dây máy biến áp Cuộn dây là mạch điện của máy biến áp, thường được làm bằng đồng, rất hiếm khi làm bằng nhôm. Tuỳ thuộc vào công suất, thiết diện các dây dẫn có 18
thể là hình tròn(công suất nhỏ) hoặc hình chữ nhật (công suất lớn), cách điện của cuộn dây thường là các-tông, prespan tẩm dầu, vải sợi.. Cuộn dây biến áp phải đạt các yêu cầu sau: -Có hệ số sử dụng đồng cao nhất, hiệu suất lớn nhất; -Thoát nhiệt dễ dàng, đảm bảo đúng tiêu chuẩn; -Đảm bảo độ bền cơ học để chống các lực điện động, đặc biệt khi xảy ra ngắn mạch. Căn cứ vào cách đặt cuộn dây hạ áp và cao áp người ta chia ra làm 2 loại: -Loại lồng vào nhau(hình 1.4a) -Loại xếp tuần tự(hình 1.4b) 1 2 1 2 2 1 1 2 1 Hình 1.4 Cách đặt cuộn dây vào lõi thép a) lồng vào nhau b) Xếp thứ tự Thông thường cuộn thấp áp được đặt bên trong (gần lõi) vì dễ cách điện với lõi hơn là cách điện với điện áp cao. 1.3.3 Các bộ phận phụ a- Bể đựng dầu Bất kể loại biến áp nào cũng phải bảo vệ. Những biến áp có công suất lớn thì vỏ máy ngoài nhiệm vụ bảo vệ các phần bên trong, nó còn là bể chứa dầu. Dầu biến áp là chất cách điện nhưng rất háo nước. Khi có nước độ cách điện của dầu giảm do đó bể đựng dầu phải kín. Thành bể có cánh tản nhiệt để làm tăng diện tích tản nhiệt. Trên đỉnh bể dầu đặt bình dầu con có bộ phận theo dõi mực dầu trong bể. b-Đầu đấu dây vào, ra Khi điện áp cao, đầu đấu dây vào, ra thường dùng sứ cách điện. Loại điện áp thấp dùng cọc đồng được cách điện với vỏ và với nhau. 1.4 Nguyên lý hoạt động của máy biến áp Trên hình 1.5 biểu diễn sơ đồ máy biến áp một pha. Giả sử khoá K mở. Cuộn dây nối với lưới điện áp xoay chiều gọi là cuộn sơ cấp có W1 vòng dây, còn cuộn dây nối với tải gọi là cuộn thứ cấp có W2 vòng dây. 19
Nếu bây giờ ta cấp cho cuộn W1 một điện áp xoay chiều u1 có tần số f thì dòng điện chạy trong cuộn sơ cấp là i1 và stđ do nó tạo ra là F1=i1W1 Từ thông do i1 sinh ra khép kín trong lõi thép gọi là từ thông chính, ký hiệu là φ 1 và từ thông khép kín qua không khí gọi là từ thông tản, ký hiệu là φ t1. Do dòng biến đổi nên từ thông chính biến đổi, nó cảm ứng trong cuộn dây W1 một sđđ cảm ứng e1 xác định bằng công thức: dφ1 e1 = -W1 (1.1) dt φ1 K φt φt Zt ut1 φ t φt 2 u2 2 1 1 φ1 Hình 1.5 Sơ đồ giải thích nguyên lý hoạt động của biến áp. Do từ thông chính khép kín qua lõi thép nên cũng cảm ứng trong cuộn W 2 một sđđ e2 : dφ1 e2 = -W2 (1.2) dt Bây giờ đóng khoá K, sđđ e2 sẽ gây chạy dòng i2 qua tải (Zt). Dòng i2 lại sinh ra stđ F2=i2W2 . Stđ này sinh ra từ thông φ 2 khép kín qua lõi thép và các từ thông tản φ t2 khép kín qua không khí. Như vậy khi dòng i2≠ 0 trong biến áp có 2 từ trường, một do dòng i1 sinh ra còn một do dòng i2 sinh ra. Trong lõi thép tồn tại 2 từ thông , 2 từ thông này tác động lên nhau để tạo ra một từ thông tổng φ đồng thời có 2 loại từ thông tản:từ thông tản của cuộn W1 và của W2. Dùng tổng từ thông móc vòng, sđđ e1 và e2 có thể viết: dψ 1 e1 = - (1.2a) dt dψ e2 = - 2 (1.2b) dt Trong đó ψ1=W1φ còn ψ2=W2φ . Hai từ thông tản φ t1, φ t2 sẽ sinh ra 2 sđđ tự cảm trong cuộn W1, W2 theo biểu thức sau: di1 et1=-L1 (1.3) dt di2 et2=-L2 (1.4) dt 20
Vì từ thông tản khép kín qua không khí là môi trường có độ thẩm từ không đổi nên L1=const, L2=const và là độ tự cảm tản của cuộn W1 và W2. Theo định luật Kiêc-khốp cho mạch sơ cấp ta có: u1+e1+et1=i1r1 (1.5) Trong đó r1-điện trở thuần cuộn dây sơ cấp. Biến đổi ta có: u1=i1r1 - (e1+et1) (1.6) Hay: u1 = - (-i1r1+e1+et1) Phương trình này gọi là phương trình cân bằng sđđ ở mạch sơ cấp, trong đó u1- điện áp lưới, còn e1+et1+(-i1r1) là sự phản ứng của mạch khi cấp điện áp u1. Ta thấy e1 và et1 là sđđ được tạo ra bằng từ trường, còn –r1i1 coi là sđđ chống lại dòng i1 khi nó chạy qua r1. Thay e1 và et1 ta có: dψ 1 di u1= +L1 1 +i1r1 (1.7) dt dt Nếu gọi ψ10 - là toàn bộ từ thông móc vòng với cuộn sơ cấp thì: dψ 10 u1=- +r1i1 (1.8) dt Tương tự cho mạch thứ cấp: dψ 2 di +L2 1 = u2 +i2r2 → e2+et2 = u2 +i2r2 (1.9) dt dt Hay: 0= e2+et2-i2r2 –u2 (1.10) Vế trái của (1.10) ta để ‘0’ là chứng tỏ phía thứ cấp không chịu tác động của điện áp lưới. Hay nói cách khác, phía thứ cấp không có nguồn điện cung cấp. Nếu gọi ψ20 là tổng từ thông phía thứ cấp ta có thể viết: dψ 20 = u2 +i2r2 (1.10a) dt Nếu bỏ qua tổn hao trong lõi thép và cho rằng độ thẩm từ trong lõi thép không đổi ta có: ψ10 = L1i1+M21i2 (1.11) ψ20 = L2i2+M12i1 Trong đó L1, L2 là độ tự cảm của cuộn dây W1, W2, còn M12=M21=M là độ cảm ứng tương hỗ(hỗ cảm) giữa các cuộn 1 và 2. Cuối cùng ta có: di1 di u1= L1 +M 2 +i1r1 (1.12) dt dt di2 di1 0= L2 +M +i2r2+u2 dt dt Đây là mạng 2 cửa. Nếu i10, i1, i2 tuần tự là dòng sơ cấp khi không tải, dòng sơ cấp khi tải và dòng thức cấp thì phương trình cân bằng stđ của biến áp như sau: i10W1=i1W1+i2W2 (1.13) 21
Hay F0(t)=F1(t)+F2(t) (1.13a) Khi điện áp u1 là hình sin, sử dụng số phức thì (1.5) và (1.6) và (1.13) có dạng sau: U 1 + E1 + E t1 =r1 I 1 • • • • (1.5a) • • = +r • E 2 + Et 2 U 2 2 I 2 • (1.6a) • • • I 10 W1= I 1 W1+ I 2 W2 (1.13a) Biến đổi (1.5a) ta có: • • • • • • • • U 1 =-( E1 + E t1 )+r1 I 1 → U 1 =- E1 - E t1 +r1 I 1 Khi điện áp u1 là hình sin thì i1 cũng là hình sin do đó khi chuyển sang số di1 • • phức et1=-L1 dt có dạng: E t1 =-jL1ω I 1 . Đặt L1ω =X1 - trở kháng tản cuộn sơ cấp, vậy (1.5a) bây giờ có dạng: • • • • U 1 =- E1 +jX1 I 1 +r1 I 1 và tương tự (1.6a) có dạng: • • • • U 2 = E 2 -jX2 I 2 - r2 I 2 • • Trong đó et2 ở dạng số phức Et 2 =-jL2ω I 2 và X2=L2ω là trở kháng tản cuộn thứ cấp. Gộp lại ta được: • • • • • • • • U 1 =- E1 +jX1 I 1 +r1 I 1 =- E1 +(jX1+r1 ) I 1 =- E1 +Z1 I 1 • • • • • • • • • • U 2 = E 2 -jX2 I 2 - r2 I 2 = U 2 = E 2 -(jX2+ r2 ) I 2 = U 2 = E 2 -Z2 I 2 Trong đó Z1= r1+jX1, Z2= r2 +jX2 là tổng trở của cuộn sơ cấp và thức cấp. 1.5 GIÁ TRỊ HIỆU DỤNG SĐĐ CẢM ỨNG TRONG CUỘN DÂY VÀ HỆ SỐ BIẾN ÁP 1.5.1 Giá trị hiệu dụng sđđ cảm ứng trong cuộn dây Giả sử từ thông có dạng φ =φ maxcosω t thì giá trị tức thời e tính như sau: e1= -W1(φ maxcosω t)’=W1φ maxsinω t.ω =2πfW1φ maxsinω t= Emax1sinω t Trong đó Emax =2πfW1φ max= 2 E1 Vậy giá trị hiệu dụng của sđđ cảm ứng trong cuộn sơ cấp là: 1 E1= Emax1 = 4,44fW1φ max (1.14) 2 Tương tự giá trị hiệu dụng sđđ cuộn dây thứ cấp bằng: 1 E2= Emax2 = 4,44fW2φ max (1.14a) 2 Khi không tải, độ sụt áp trên tổng trở Z1 rất nhỏ nên có thể coi U1=E1. Do đó nếu điện áp lưới cung cấp không đổi thì từ thông φ =E1 /4,44fW1=U1/4,44fW1 = const. 1.5.2 Hệ số biến áp. Hệ số biến áp được định nghĩa như sau: 22
E1 U1 W1 Ku= E = U = W 2 2 2 Từ đây ta thấy nếu W1>W2 đây là máy biến áp hạ áp (ku>1) W1
Do vậy người ta thường xây dựng sơ đồ tương đương đơn giản. Lúc này có thể bỏ qua những hiện tượng không đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu và chỉ giữ lại những hiện tượng cần thiết. Gọi Xµ -trở kháng liên quan tới từ thông chính; X1- trở kháng liên quan tới từ thông tản cuộn sơ cấp; R1- Điện trở thuần cuộn sơ cấp; RFe- điện trở liên quan tới tổn hao từ của lõi thép (fucô và từ trễ). Giá trị của RFe phải chọn sao cho nhiệt thải ra khi có dòng điện chạy qua, phải bằng chính số nhiệt lượng của máy biến áp tạo ra do tổn hao sắt từ khi nó làm việc. Khi tần số f=const thì Xµ , X1, R1,RFe có giá trị không đổi (giả thiết giá trị hệ số nhiệt bằng 1). Khi f=var do hiện tượng hiệu ứng mặt ngoài các giá trị trên thay đổi chút ít. Xµ còn phụ thuộc vào độ bão hoà lõi thép. Khi xây dựng sơ đồ tương đương ta bỏ qua: tổn hao cách điện do từ trường biến đổi, dòng dò dung kháng, dòng dò giữa các vòng dây và vỏ. Khi tần số lớn thì ta phải chú ý tới các hiện tượng trên. Sơ đồ tương đương của máy biến áp ở chế độ không tải biểu diễn ở hình 2.2 và 2.3 I10 I10 r1 X1 IFe Iµ r1 X1 U1 E1 Xµ R0 RFe U1 X0 Hình 2.2 Sơ đồ tương đương máy biến ápHình 2.3 Sơ đồ tương đương máy biến áp dạng mắc song song dạng mắc nối tiếp Dòng không tải I10 (thường ký hiệu là I0) gồm 2 thành phần: dòng kích từ Iµ là dòng cảm kháng sinh ra từ thông chính và dòng tác dụng I Fe liên quan tới tổn hao sắt từ. Hai dòng này lệch pha nhau 900. Ta có các phương trình sau đây: • • • • I 0 = I Fe + I µ hay I 0 = IFe+jIµ (2.1) • • • • • U 1 = − E1 + I 0 (r1+jX1) = − E1 + I 0 Z1 (2.2) b.Đồ thị véc tơ Mục đích xây dựng sơ đồ véc tơ là tìm giá trị U1 khi cho các thông số của máy biến áp:r1, X1, Xµ , RFe, các đại lượng dòng IFe, Iµ ... Để dựng đồ thị véc tơ ta giả thiết như sau: -Chiều các véc tơ như hình 2.2; -Máy biến áp chưa bão hoà nên Iµ và φ trùng nhau. 24
Thực hiện dựng đồ thị véc tơ như sau: Ta nhận trục hoành là trục của từ − − thông. Theo hướng từ thông đặt véc tơ Iµ . Từ mút của véc tơ I µ ta đặt véc tơ I Fe − − − vuông góc với véc tơ I µ . Nối đầu véc tơ I µ với cuối véc tơ I Fe ta được véc tơ − − − I 0 . Véc tơ − E1 vuông góc với φ . Theo (2.5) ta dựng véc tơ − E1 .Từ mút của véc − tơ này ta đặt một véc tơ song song với véc tơ I 0 có độ dài I0r1. Từ cuối véc tơ I0r1 − ta dựng véc tơ vuông góc với nó và có độ dài I0X1. Nối cuối véc tơ − E1 với véc − tơ này ta được U 1 . Đồ thị véc tơ của biến áp khi không tải biểu diễn trên hình 2.4 − U1 − − E1 − . ϕ0 I0 IFe φ Iµ Hình 2.4 Đồ thị véc tơ máy biến áp khi không tải − E1 Thực tế I0Z1=I0r1+jI0X1 rất nhỏ nên có thể chấp nhận:U1≈ E1 Trên hình 2.4 ta không vẽ đúng tỷ lệ nhằm làm sáng sủa sơ đồ. Dòng không tải của biến áp có giá trị rất nhỏ chỉ bằng 1=10% giá trị dòng định mức(số nhỏ cho biến áp công suất lớn, số lớn cho biến áp công suất nhỏ) Chú ý: Điện trở R0 và X0 ở sơ đồ 2.3 có thể tính được từ sơ đồ hình 2.2 Cụ thể như sau: 1 Z2 = R0= R ( 1 + 1 ) RFe (2.3) Fe 2 2 RFe Xµ 1 Z2 = R0= X ( 1 + 1 ) Xµ (2.4) µ 2 2 RFe Xµ 25
1 Trong đó Z= 1 1 (2.5) 2 + 2 RFe X µ Sở dĩ như vậy vì: 1 1 1 X µ RFe jX µ RFe ( X µ + jRFe ) X µ RFe 2 jX µ R 2 Fe = + = = = 2 2 + 2 Z 0 RFe jX µ X µ − jRFe X µ + RFe 2 2 X µ RFe X µ + RFe2 và Z0=R0+jX0. 2.3 Các đặc tính ở chế độ không tải a-Đặ tính dòng không tải Khi nghiên cứu các quá trình xảy ra ở bất kỳ máy điện nào, chúng ta cũng phải xác định xem cái gì là nghuyên nhân, cái gì là hậu quả của hiện tượng đó. Nguyên nhân là các đại lượng cho trước từ bên ngoài, hậu quả là những đại lượng xuất hiện do tính chất của dụng cụ, của thiết bị điện. Tính chất của thiết bị điện do người chế tạo quyết định, những đại lượng đó là: kích thước, vật liệu mạch từ, mạch điện, loại và số vòng dây v.v. Khi nghiên cứu tính chất động của thiết bị điện, ta coi các thông số chế tạo đã cho. Giá trị của mỗi đại lượng này có thể không đổi, có thể thay đổi (ví dụ:điện trở tác dụng phụ thuộc vào nhiệt độ, tần số, trở kháng phụ thuộc vào tần số và độ bão hoà từ v.v.). Khi các đại lượng bên trong thay đổi, sẽ xuất hiện mối liên hệ phụ giữa các đại lượng với nhau và làm cho vấn đề phức tạp thêm. Ở biến áp những đại lượng cho trước là: điện áp nguồn cung cấp, tần số f, chúng có giá trị không đổi. Từ thông của biến áp tính được: E U φ = 4,44W f ≈ 4,44W f 1 1 (2.6) 1 1 Từ biểu thức này ta thấy nếu f=const, W1=const thì từ thông sẽ tỷ lệ với điện áp (U1) Tiếp theo từ thông, đại lượng hậu quả thứ 2 là dòng I0. E1 ≈ Iµ = Xµ I0 (2.7) Nếu Xµ =const ta có thể tính I0 từ (2.7). Biến áp không khí có Xµ =const, còn các loại biến áp khác đều có Xµ = var. Để tính dòng Iµ trong những biến áp này, ta phải dựa vào đường nhiễm từ của lõi thép và điện áp nguồn nạp U1. Để hình dung được sự biến đổi của dòng kích từ Iµ khi điện áp cung cấp I0/Iđm thay đổi, ta dựng đặc tính không tải của biến áp. Đó là mối quan hệ giữa 0,20 I0=f(U1) khi f=const, W1=const. Trên hình 2.5 biểu diễn các đặc tính này 0,15 ∆ PFe 0,02 I0=f(U1) khi f=const 0,1 0,05 U1/Uđm 26 0,5 1,0
0,01 ∆ PFe=f(U1) khi f=const U1/Uđm 0,5 1,0 a) b) Hình 2.5 Đặc tính không tải của máy biến áp: a) Đặc tính I0=f(U1) khi f=const; b) Đặc tính ∆ PFe=f(U1) khi f=const Từ đặc tính ta thấy: nếu điện áp nhỏ hơn giá trị định mức, không gây trở ngại gì cho biến áp, nhưng khi điện áp lớn hơn điện áp định mức thì dòng không tải tăng đột ngột ví dụ khi điện áp tăng 2 lần điện áp định mức, thì dòng không tải bằng dòng định mức. Điều đó không cho phép biến áp làm việc bình thường khi có tải. b-Đặc tính tổn hao không tải. Ở chế độ không tải công suất nhận vào máy biến thành tổn hao hoàn toàn. Vì dòng không tải nhỏ nên tổn hao đồng nhỏ, vậy tổn hao không tải coi như tổn hao sắt từ ∆PFe . Tổn hao này xác định như sau: ∆PFe ≈ Ce1B2f+CfB2f2 (2.8) Trong đó: E1 B=Cφ = C. 4,44W f ≈ C1U1 (2.9) 1 Nếu tần số nguồn f=const nhưng U1=var thì : ∆PFe ≈ KU12 (2.10) Từ (2.10) ta thấy: nếu điện áp U1Uđm thì tổn hao tăng đột biến, máy bị đốt nóng. Khi điện áp nguồn cung cấp không đổi nhưng tần số biến đổi ta có: E1 C1 B=Cφ = C. 4,44W f ≈ f (2.11) 1 Thay (2.18) vào (2.15) ta được: C1 ∆PFe = f +C1” (2.12) Ta thấy rằng khi ffđm tổn hao giảm đi. Như vậy biến áp có thể làm việc với tần số lớn hơn tần số định mức. Còn khi tần số nhỏ máy biến áp bị đốt nóng. Qua phân tích ta rút ra: Nếu biến áp thiết kế làm việc với tần số fđm=50Hz nó có thể làm việc với f>50Hz, nhưng nếu f
U1 I0= R (2.13) 1 I0/Iđm I0=f(f) khi U1=const 50 Hình 2.6 Đặc tính I0=f(f) khi 40 U1=const 20 f 0 0,5 1,0 Mối quan hệ hàm I0=f(f) biểu diễn trên hình 2.6 2.4 Dòng điện không tải Ta hãy xét hình dạng dòng không tải của biến áp một pha khi điện áp nguồn cung cấp có dạng hình sin. Để đơn giản, ta bỏ qua thành phần IFe mà chỉ xét dòng kích từ (nghĩa là coi I0 = Iµ ). Trên cơ sở của mối liên hệ U1≈ E1=Cφ ta có kết luận sau: -Nếu điện áp có dạng hình sin thì cả sđđ và từ thông đều có dạng hình sin. Khi biết đặc tính bến đổi từ thông theo thời gian , sử dụng đặc tính nhiễm từ φ =(Iµ ) ta tìm được đặc tính Iµ . Cách tìm Iµ bằng phương pháp hình học biểu diễn trên hình 2.7 và được tiến hành như sau: Iµ ,φ Iµ3 φ Iµ φ3 φ φ2 Iµ2 φ1 Iµ1 t1 t2 t3 Iµ1 Iµ2 Iµ3 Iµ t T/2 Hình 2.7 Phương pháp hình học xác định dòng kích từ.a) Đặc tính φ , Iµ =f(t), b) đặc tính φ = f( Iµ ) 28
Tại những điểm t1, t2, t3 ta tìm được các giá trị φ 1, φ 2, φ 3 (hÌnh 2.7a), mang những giá trị này sang hệ trục φ = f(Iµ ) và tìm được Iµ1, Iµ2, Iµ3 , nối các điểm đó lại ta tìm được Iµ = f(t). Từ đặc tính này chúng ta thấy nếu biên độ của từ thông φ vượt quá phần phi tuyến của đặc tính nhiễm từ, thì Iµ là hình sin biến dạng. Càng vượt xa phần tuyến tính độ biến dạng khỏi hình sin càng lớn. Như vậy nếu vì một lý do nào đó cần có dạng hình sin của dòng kích từ thì điểm làm việc của biến áp phải chọn ở phần tuyến tính của đường φ = f(Iµ ). Điều này giải thích vì sao ở các biến áp đặc biệt thường chọn độ cảm ứng từ nhỏ. Vì Iµ =f(t) biến đổi có chu kỳ nên ta có thể phân tích sang shuỗi Fourier và được: Iµ =Iµ1maxµ sinω t-Iµ3maxsin3ω t+Iµ5maxsin5ω t+...+ (2.14) Các sóng bậc cao biểu diễn trên hình 2.8 Nếu độ cảm ứng từ B có giá trị khoảng 1,4T thì biên độ của sóng bậc 3 vào khoảng 30%, bậc 5 là 15% của sóng bậc 1. các sóng bậc cao khác có giá trị rất nhỏ, có thể bỏ qua. Iµ Iµ Iµ1 Hình 2.8 Đặc tính thời gian các sóng bậc 3 Iµ3 và 5 của dòng kích từ Iµ Iµ5 t T/2 Chúng ta nhận thấy rằng, khi cung cấp cho biến áp điện áp hình sin thì dòng kíchφtừ không có dạng hình sin, nó phải chứa các sóng bậc 1,3 và bậc 5. Iµ φ Giá trị hiệu3dụng của dòng kích từ như sau: b) I µ = I µ1 + I µ 3 + I µ 5 + ... a) 2 2 2 (2.15) Iµ Giá trị cực đại của dòng kích từ tính được: Iµ = Iµmax1+Iµmax3+ Iµmax5+... (2.16) 3 Khi d2 ng đặc tính dòng kích từ trên đây, ta đã bỏ qua hiện tượng từ trễ. ự 4 4 Muốn xét ảnh 2’ưởng của hiện tượng từ trễ ta vẫn dùng phương pháp trên chỉ h φ 2 Iµ 4’ có 5 5 1’ 6 6 1 5’ t 1 ie1 Iµ T/2 29 Hình 2.9 Dòng kích từ có chú ý tới hiện tượng từ trễ
đặc tính φ =f(Iµ ) là đặc tính có lưu ý hiện tượng từ trễ (hình 2.9b) . Kết quả biểu diễn trên hình 2.9 a. Từ hình vẽ ta thấy kết quả giống như ở hình 2.8 nhưng có thêm dòng ie1. Sóng bậc 1 của ie1 trùng pha với E1, điều đó chứng tỏ rằng biến áp nhận một công suất tác dụng ứng với tổn hao từ trễ. Bây giờ ta xem khi dòng kích từ không chứa đầy đủ các sóng bậc cao ví dụ dòng kích từ có dạng hình sin thì biến áp xảy ra hiên tượng gì. Bằng phương pháp hình học như trên, ta tìm được đặc tính từ thông theo thời gian φ =f(t) hình (2.10). φ ,Iµ Iµ 3 3 Iµ φ1 φ 2’ 3’ 2 2 φ 1’ 2 φ 3 1 1 0 t t2 φ φ φ 1 t3 t φ 1 2 3 Hình 2.10 Đặc tính từ thông khi dòng kích từ có dạng hình sin Từ dạng φ =f(t) ở hình 2.10 ta thấy từ thông không có dạng hình sin. Mang phân tích từ thông ra sóng bậc cao thì từ thông bây giờ chứa sóng bậc 3. Ảnh hưởng của sóng này càng lớn khi từ thông vượt đoạn tuyến tính của đường cong Iµ = f(φ ). Như vậy sự thiếu sóng bậc cao trong dòng kích từ làm cho từ thông biến dạng, nó chứa các sóng bậc cao. 30
2.5 Ảnh hưởng về hình dạng và giá trị điện áp nguồn cung cấp cho máy biến áp. Trên đây ta nghiên cứu biến áp khi nguồn cung cấp có dạng hình sin, bây giờ ta thử xem khi điện áp nguồn cung cấp không có dạng hình sin thì công thức (1.14) có dạng thế nào. Giả sử điện áp nguồn nạp có dạng như hình 2.11, sđđ cảm +φ t -φ T/2 Hình 2.11 Điện áp nạp biến áp có dạng không sin ứng trong cuộn W1 được xác định bằng biểu thức (1.1). Lấy tích phân 2 vế ta có: ∫ e1dt = −W1 ∫ dφ (2.17) Giới hạn tích phân lấy trong khoảng 0-T/2, lúc này từ thông biến đổi từ +φ đến-φ . Ta có thể viết: T 2 −φ ∫ e dt = −W ∫φdφ 1 1 =2W1φ (2.17a) 0 + Giá trị trung bình của E1 được tính bằng công thức: T T T 1 2 22 Etb= T ∫ e1 (t )dt = ∫ e1 (t )dt Nhưng 2 0 T 0 ∫ e dt = =2W1φ 0 1 vậy 2 2 Etb= 2W1φ =4W1φ f (2.18) T Trong đó f=1/T là tần số biến thiên của từ thông hay sđđ. Từ (2.18) ta thấy giá trị trung bình của sđđ không phụ thuộc vào hình dạng đường cong φ . Nhân và chia 2 vế của (2.18) với E1 ta được: E1 Etb= E 4W1φ f hay: 1 E1 E1= 4W1φ f (2.18a) E tb Tỷ số giữa giá trị hiệu dụng với giá trị trung bình gọi là hệ số hình dạng, vậy (2.18a) có thể viết: 31
E1=k04W1φ f (2.19) Công thức (2.19) là công thức tổng quát cho sđđ hiệu dụng của điện áp cảm ứng và điện áp tự cảm trong biến áp. Nếu từ thông có dạng hình sin thì k0= π = 1,1 do đó ta có (1.14) 2 2 32