Chuong5 MAYBIENAP
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây [756 KB, 24 trang ]
Chương 5. Máy biến áp
CHƯƠNG 5
MÁY BIẾN ÁP
§5.1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP
5.1.1. Định nghĩa:
Máy biến áp là một thiết bị điện từ tĩnh, làm việc theo nguyên lí cảm ứng điện từ, dùng để
biến đổi điện áp của hệ thống dòng điện xoay chiều từ điện áp cao xuống điện áp thấp hoặc ngược
lại từ điện áp thấp lên điện áp cao nhưng vẫn giữ nguyên tần số.
- Đầu vào của MBA nối với nguồn điện gọi là sơ cấp, các đại lượng và thông số của sơ cấp
trong ký hiệu có ghi chỉ số “1”.
- Đầu ra của MBA nối với tải gọi là thứ cấp, các đại lượng và thông số của thứ cấp trong ký
hiệu có ghi chỉ số “2”.
- Nếu điện áp thứ cấp lớn hơn điện áp sơ cấp thì MBA là máy tăng áp, và ngược lại gọi là
máy giảm áp.
- Ký hiệu
hoặc
Hình 5-1
5.1.2. Các đại lượng định mức
Các đại lượng định mức của máy biến áp do nhà chế tạo qui định để cho máy có khả năng làm
việc lâu dài và hiệu quả nhất. Ba đại lượng định mức cơ bản là:
a] Điện áp định mức
♦ Điện áp sơ cấp định mức [U1đm] : là điện áp đã qui định cho dây quấn sơ cấp, đối với
máy biến áp ba pha là điện áp dây.
♦ Điện áp thứ cấp định mức [U2đm] : là điện áp giữa các đầu ra của dây quấn thứ cấp, là
điện áp dây [đối với máy biến áp ba pha], khi dây quấn thứ cấp hở mạch
[không nối với tải] và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức.
Điện áp định mức quyết định việc bố trí cuộn dây cách điện giữa các lớp, các vòng dây và
lựa chọn vật liệu cách điện để đảm bảo an toàn. Đơn vị của điện áp định mức là V hoặc
kV
b] Dòng điện định mức
Dòng điện định mức là dòng điện đã qui định cho mỗi dây quấn của máy biến áp, ứng
với công suất định mức và điện áp định mức.
Khi điện áp đặt vào cuộn dây sơ cấp là định mức và nối cuộn dây thứ cấp với tải có công
suất bằng công suất định mức của máy biến áp thì dòng điện đo được trên cuộn dây sơ
104
Chương 5. Máy biến áp
cấp là dòng điện sơ cấp định mức [I1đm] và dòng điện đo được trên cuộn dây thứ cấp là
dòng điện thứ cấp định mức [I2đm].
Đối với máy biến áp một pha, dòng điện định mức là dòng điện pha. Đối với máy biến áp
ba pha, dòng điện định mức là dòng điện dây.
Khi thiết kế máy biến áp người ta căn cứ vào dòng điện định mức để chọn tiết diện dây
quấn sơ cấp và thứ cấp, xác định các tổn hao năng lượng trong điện trở dây quấn để đảm
bảo nhiệt độ tăng trong q trình sử dụng khơng vượt q giới hạn an tồn.
c] Cơng suất định mức
Cơng suất định mức của máy biến áp là cơng suất biểu kiến thứ cấp ở chế độ làm việc
định mức. Cơng suất định mức ký hiệu là Sđm, đơn vị là VA hoặc kVA.
Đối với máy biến áp một pha, cơng suất định mức là:
Sđm = U2đm* I2đm = U1đm* I1đm
[5-1]
Đối với máy biến áp ba pha, cơng suất định mức là:
Sđm = 3 U2đm* I2đm =
3 U1đm* I1đm
[5-2]
Ngồi ra trên nhãn máy còn ghi tần số, số pha, sơ đồ nối dây, điện áp ngắn mạch, chế độ
làm việc… của máy biến áp đó.
Trong q trình sử dụng, nếu ta đặt máy biến áp hoạt động ỏ mức dưới các đại lượng định
mức thì sẽ gây lãng phí khả năng làm việc của máy biến áp, còn nếu ta đặt trên các đại
lượng định mức thì gây nguy hiểm, dễ gây hỏng máy biến áp.
5.1.3. Vai trò của máy biến áp:
Máy biến áp có vai trò rất quan trọng trong hệ thống điện, dùng để truyền tải và phân phối
điện năng.
- Để nâng cao khả năng truyền tải và giảm tổn hao trên đường dây, người ta nâng cao điện
áp truyền tải trên dây, vì vậy ở đầu đường dây truyền tải cần đặt MBA tăng áp.
- Điện áp tải thường nhỏ, vì vậy ở cuối đường dây phải đặt MBA hạ áp.
- Ngồi ra MBA còn được sử dụng trong các lò nung, hàn điện, làm nguồn cho các thiết bị
điện, điện tử, đo lường.
Máy
phát điện
∼
Máy biến áp
tăng áp
Hộ
tiêu thụ
Đường
dây tải
Máy biến áp
giảm áp
Sơ đồ mạng truyền tải điện đơn giản
Hình 5-2
105
Chương 5. Máy biến áp
Một số hình dạng của MBA:
§5.2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC
5.2.1. Cấu tạo
Máy biến áp có hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn.
106
Chương 5. Máy biến áp
Hình 5-3. Sơ đồ cấu tạo máy biến áp một pha
a] Lõi thép
Lõi thép máy biến áp dùng để dẫn từ thông chính của máy biến áp, được chế tạo từ những
vật liệu dẫn từ tốt, thường là lá thép kỹ thuật điện. Lõi thép gồm hai bộ phận:
- Trụ: là nơi để đặt dây quấn.
- Gông: là phần khép kín mạch từ giữa các trụ.
Trụ và gông tạo thành mạch từ khép kín.
Để giảm dòng điện xoáy trong lõi thép, người ta dùng thép lá kỹ thuật điện [dày khoảng
0,35mm đến 0,5mm, mặt ngoài có sơn cách điện ] ghép lại với nhau thành lõi thép.
Các dạng lá thép kỹ thuật điện thường sử dụng có hình chữ U, E, I như hình vẽ:
Hình 5-4. Hình dạng lá thép kỹ thuật điện
107
Chương 5. Máy biến áp
b] Dây quấn máy biến áp.
Dây quấn máy biến áp thường được chế tạo bằng dây đồng [hoặc nhôm], có tiết diện tròn
hoặc hình chữ nhật, bên ngoài dây dẫn có bọc cách điện.
a
φ
b
Hình 5-5. Mặt cắt ngang dây quấn máy biến áp
Dây quấn gồm nhiều vòng dây và được lồng vào trụ lõi thép. Giữa các vòng dây, giữa các
dây quấn có cách điện với nhau và dây quấn có cách điện với lõi thép. Máy biến áp
thường có hai hoặc nhiều dây quấn. Khi các dây quấn đặt trên cùng một trục thì thông
thường dây quấn điện áp thấp được đặt sát trụ thép, các dây quấn khác đăt lồng ra bên
ngoài, làm như vậy để giảm được vật liệu cách điện
Để làm mát và tăng cường cách điện cho máy biến áp, người ta thường đặt lõi thép và dây
quấn trong một thùng dầu máy biến áp. Máy biến áp công suất lớn, vỏ thùng dầu có cánh
tản nhiệt, ngoài ra còn có các đầu sứ để nối các đầu dây quấn ra ngoài, bộ phận chuyển
mạch để điều chỉnh điện áp, rơle hơi để bảo vệ máy.
5.2.2. Nguyên lý làm việc:
Nguyên lý làm việc của máy biến áp dựa trên cơ sở của hiện tượng cảm ứng điện từ. Nếu đặt
vào cuộn dây sơ cấp của máy biến áp một dòng điện xoay chiều với điện áp U1, dòng điện xoay
chiều qua cuộn dây sẽ tạo ra trong mạch từ một từ thông φ. Do mạch từ khép kín nên từ thông
này móc vòng qua các cuộn dây của máy biến áp và sinh ra trong đó sức điện động.
dφ
Với cuộn sơ cấp là: e1 = - N1
[5-3]
dt
dφ
Với cuộn thứ cấp là: : e2 = - N2
[5-4]
dt
Hình 5-6. Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy biến áp
Giả sử từ thông của máy biến áp biến đổi hình sin đối với thời gian:
φ = φmaxsinωt [Wb]
[5-5]
108
Chương 5. Máy biến áp
Sau khi lấy đạo hàm và thay vào phương trình 5-3 ta được:
e1 = - ωN1 φmaxcosωt
Vì
cosωt = - sin[ωt – 900 ]
Nên e1 = ωN1 φmax sin[ωt – 900 ]
[5-6]
0
Biểu thức này chỉ rõ sức điện động e1 chậm pha so với từ thông φ một góc 90 .
Trị số cực đại của sức điện động E1max:
E1max = ωN1 φmax
[5-7]
Chia E1max cho 2 và thay ω = 2Πf, ta được biểu thức của sức điện động hiệu dụng sơ cấp:
E
2Πf
N1 φmax = 4,44fN1φmax
E1 = 1max =
[5-8]
2
2
Thực hiện thay thế, tính toán tương tự đối với phương trình 5-4 ta được biểu thức sức điện động
hiệu dụng của cuộn thứ cấp như sau:
[5-9]
E2 = 4,44fN2 φmax
Khi máy biến áp không nối với tải, dòng điện trong cuộn thứ cấp I2 = 0, sức điện động sơ cấp
thực tế gần bằng điện áp sơ cấp E1 ≈ U1 và sức điện động thứ cấp gần bằng điện áp thứ cấp E2 =
U20 [U20 là điện áp thứ cấp không tải].
Tỷ số các sức điện động trong cuộn dây của máy biến áp một pha, tức là tỷ số điện áp của nó khi
không có tải, được rút ra từ biểu thức 5-8 và 5-9, bằng tỷ số vòng dây của các cuộn dây.
Tỷ số này kí hiệu bằng chữ k và gọi là tỷ số biến áp:
E
U
N
k= 1 = 1 = 1
E2
U 20
N2
- Nếu N1 > N2 suy ra k > 1 , U1 > U2, máy biến áp hạ áp.
- Nếu N1 < N2 suy ra k < 1 , U1 < U2, máy biến áp tăng áp.
Khi nối cuộn dây thứ cấp với tải, nếu bỏ qua tổn hao trong máy biến áp, có thể coi gần đúng quan
hệ giữa các đại lượng sơ cấp và thứ cấp như sau:
U1I1 = U2I2
U1 I 2
=
=k
Hoặc:
U 2 I1
§5.3. QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MÁY BIẾN ÁP
5.3.1. Quá trình điện từ trong máy biến áp:
Hình 5.7
109
Chương 5. Máy biến áp
Ta xét máy biến áp một pha hai dây quấn như hình 5-8. Khi đặt vào cuộn dây sơ cấp một
điện áp xoay chiều u1 thì trong đó sẽ có dòng điện i1 chạy qua. Nếu phía thứ cấp có tải thì
sẽ có dòng điện i2 chạy qua. Những dòng điện i1 và i2 sẽ tạo nên các sức từ động i1N1 và
i2N2. Phần lớn từ thông do i1N1 và i2N2 sinh ra được khép mạch qua lõi thép móc vòng
với cả dây quấn sơ cấp và thứ cấp và được gọi là từ thông chính φ. Từ thông chính gây
nên trong các dây quấn sơ cấp và thứ cấp những sức điện động chính là:
dψ
dφ
e1 = − N 1
=− 1
dt
dt
[5-10]
dψ 2
dφ
e2 = − N 2
=−
dt
dt
Trong đó: ψ 1 = N 1φ và ψ 2 = N 2φ là từ thông móc vòng với dây quấn sơ cấp và thứ cấp
ứng với từ thông chính φ.
Còn một phần rất nhỏ từ thông do các sức từ động i1N1 và i2N2 sinh ra bị tản ra ngoài lõi
thép và khép mạch qua không khí hay dầu gọi là từ thông tản. Từ thông tản cùng gây nên
các sức điện động tản tương ứng:
dφ
dψ σ 1
eσ 1 = − N 1 σ 1 = −
dt
dt
[5-11]
dφσ 2
dψ σ 2
=−
eσ 2 = − N 2
dt
dt
5.3.2. Phương trình cân bằng điện áp cuộn sơ cấp:
Xét mạch điện sơ cấp gồm : u1 , e1 , điện trở dây quấn R1 , L1
Áp dụng định luật Kirchhoff 2 cho vòng mạch:
- Viết dưới dạng trị số tức thời:
di
R1 .i1 + L1 . 1 = u1 + e1
dt
di
u1 = R1 .i1 + L1 . 1 − e1
dt
- Viết dưới dạng phức:
R1
i1
~
L1
e1
u1
Hình 5-8
U& 1 = R1 .I&1 + j . X1 .I&1 − E& 1 = Z1 .I&1 − E& 1
Với:
~
[5-12]
Z1 = R1 + j.ω .L1 = R1 + j. X1
X1 = ω .L1 là điện kháng tản của dây quấn sơ cấp
5.3.3. Phương trình cân bằng điện áp cuộn thứ cấp:
Xét mạch điện thứ cấp gồm : e2 , điện trở dây quấn R2 , L2
Áp dụng định luật Kirchhoff 2 cho vòng mạch:
- Viết dưới dạng trị số tức thời:
di
R2 .i2 + L2 . 2 + u2 = −e2
dt
di
u2 = −e2 − R2 .i2 + L2 . 2
dt
i2
~
R2
L2
u2
e2
Zt
Hình 5-9
110
Chương 5. Máy biến áp
- Viết dưới dạng phức:
U& 2 = − E& 2 − R2 .I&2 + j. X 2 .I&2 = − E& 2 − Z2 .I&2 = Ztaûi .I&2
[5-13]
Với: Z 2 = R2 + j.ω .L2 = R2 + j. X 2
X 2 = ω .L2 là điện kháng tản của dây quấn thứ cấp
5.3.4. Phương trình cân bằng sức từ động:
- Vì điện trở cuộn dây sơ cấp nhỏ nên sụt áp R1.I1 nhỏ hơn nhiều E1 nên có thể xem gần đúng
U1 ≈ E1 .
- Vì U1 = const nên E1 = const ⇒ φmax = const
• Ở chế độ không tải φ = φ0 = i0 .W1 , trong đó i0 là dòng không tải của sơ cấp.
• Ở chế độ có tải φ = i1 .W1 − i2 .W2
• φmax = const nên sức từ động lúc không tải bằng sức từ động lúc có tải
i0 .W1 = i1 .W1 − i2 .W2
Chia 2 vế cho W1
W
i
i0 = i1 − i2 . 2 = i1 − 2 = i1 − i'2
W1
k
Hoặc i1 = i0 − i'2
i
i'2 = 2 là dòng điện i2 đã qui đổi về phía sơ cấp
k
- Phương trình sức từ động viết dưới dạng phức: I&1 = I&0 + I&' 2
[5-14]
Phương trình sức từ động cho ta thấy rõ quan hệ giữa dòng điện sơ cấp và thứ cấp.
Hệ 3 phương trình điện áp sơ cấp, điện áp thứ cấp và sức từ động ta có mô hình toán học của
MBA.
§5.4. MẠCH ĐIỆN THAY THẾ MÁY BIẾN ÁP
Từ Mô hình toán
U& 1 = Z 1 .I&1 − E&1
[5 − 12]
&
[5 − 13]
U 2 = − E& 2 − Z 2 .I&2
I& = I& + I&
[5 − 14]
'2
0
1
Ta xây dựng Mô hình mạch là mạch điện thay thế phản ánh đầy đủ quá trình năng lượng trong MBA,
giúp thuận lợi cho việc tính toán, thí nghiệm và nghiên cứu MBA.
5.4.1. Qui đổi các đại lượng thứ cấp về sơ cấp:
Nhân [5-13] với k, ta được:
I&
k.U& 2 = −k.E& 2 − k.Z2 .I&2 = − k.E& 2 − k2 .Z2 . 2
k
&
&
&
Đặt: E'2 = k.E2 = E1
U& ' = k.U&
2
2
Z '2 = k .Z2 R'2 = k .R2
Phương trình [5-15] trở thành:
2
2
X '2 = k . X 2
2
[5-15]
[5-16]
[5-17]
[5-18]
111
Chương 5. Máy biến áp
U& '2 = − E& 1 − Z '2 .I&'2
U& 2 = Zt .I&2 nhân [5-13] vế với k, ta được
I&
k.U& 2 = k.Z t .I&2 = k2 .Zt . 2
k
&
&
⇔ U 2 = Z 't . I '2
Mặt khác:
[5-19]
Trong đó: Z 't = k 2 .Z t ; R't = k 2 .Rt ; X 't = k 2 . X t
[5-20]
I&
I&'2 = 2
[5-21]
k
- Phương trình [5-19] là phương trình điện áp thứ cấp qui đổi về sơ cấp.
- [5-16], [5-17], [5-18], [5-19], [5-20] và [5-21] là các công thức qui đổi các đại lượng thứ cấp
về sơ cấp.
5.4.2. Mạch điện thay thế máy biến áp:
Xét MBA trường hợp không tải, ta thấy ngoài một lượng tổn hao do sụt áp trên dây quấn sơ
cấp, trong MBA còn tổn hao một lượng năng lượng để từ hóa lõi thép.
Khi không tải: phương trình điện áp sơ cấp
U& 1 = Z1 .I&1 − E& 1
• Trong đó:
Z .I& là sụt áp trên dây quấn sơ cấp
1
1
− E& 1 chính là sụt áp trên tổng trở từ hóa Zth . Đặc trưng cho quá trình từ hóa lõi thép là từ thông
chính φ do I0 sinh ra, nên:
− E& = − Z .I& = [ R + j. X ].I&
1
th
th
0
th
0
Ø Rth : là điện trở từ hóa đặc trưng cho tổn hao sắt từ
∆Pst = Rth .I0
Ø Tổn hao sắt từ:
Mô hình toán của MBA bây giờ trở thành:
U& 1 = Z 1 .I&1 + Z th .I&0
[5 − 22]
&
&
&
[5 − 23]
U ' 2 = Z th .I 0 − Z ' 2 .I ' 2
&
&
&
[5 − 24]
I 1 = I 0 + I ' 2
Hệ [5-22], [5-23], [5-24] chính là hệ của 2 phương trình Kirchhoff 2 và 1 phương trình Kirchhoff
1 viết cho mạch có dạng hình 5-6 [a]
2
R1
R’2
X1
.
I1
X’2
.
I’2
Rth
.
~U1
Z’t
R1
.
U’2
Xth
.
I0
a]
Hình 5-10
R’2
X1
.
~U1
X’2
Z’t
b]
112
Chương 5. Máy biến áp
- Nhánh có Zth = Rth + jXth gọi là nhánh từ hóa.
- Thông thường, Zth rất lớn nên I0 rất nhỏ. Nếu bỏ qua nhánh từ hóa, ta có sơ đồ thay thế gần
đúng của MBA như hình 5-6 [b].
• Trong đó:
Rn = R1 + R'2
X n = X 1 + X '2
§5.5. XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ MÁY BIẾN ÁP
5.5.1. Thí nghiệm không tải:
- Để xác định tỷ số k của MBA, tổn hao sắt từ và các thông số của máy ở chế độ không tải.
- Sơ đồ mạch thí nghiệm như hình 5-11
Hình 5.11
- Ta có các số liệu sau:
•
Watt kế chỉ công suất không tải: P0 ≈ ∆Pst
•
Ampe kế chỉ dòng không tải: I0
•
Các Vôn kế V1 và V2 chỉ các giá trị U10 và U20 .
Từ các số liệu trên ta tính được:
Ø Tỷ số MBA k:
W
E
U
k= 1 = 1 ≈ 1
W2
E2 U 20
Ø Dòng điện không tải phần trăm: I0%
I
I0 % = 0 .100 = 3% ÷ 10%
I ñm
Ø Điện trở không tải: R0
P
R0 = 20 = R1 + Rth
I 0
Vì Rth 〉〉 R1 nên lấy gần đúng R0 ≈ Rth
Ø Tổng trở không tải: Z0
U
Z0 = 1ñm
Gần đúng: Z0 = Zth
I0
113
Chương 5. Máy biến áp
Ø Điện kháng không tải: X0
X0 =
Z0 − R0
2
2
Gần đúng: X 0 = X th
Ø Hệ số công suất không tải: Cosϕ0
P0
Cosϕ 0 =
= 0,1 ÷ 0,3
U1ñm .I0
5.5.2. Thí nghiệm ngắn mạch:
- Để xác định tổn hao trên dây quấn [tổn hao đồng] và xác định các thông số của sơ cấp và thứ
cấp.
- Sơ đồ mạch thí nghiệm như hình 5-12
Hình 5.12
- Điều chỉnh điện áp thí nghiệm Un đặt lên sơ cấp MBA bằng 1 bộ điều chỉnh điện áp.
- A1, A2 chỉ dòng điện ngắn mạch sơ cấp và thứ cấp I1n và I2n.
- Vôn kế chỉ điện áp ngắn mạch sơ cấp Un.
- Watt kế chỉ công suất ngắn mạch Pn ≈ ∆Pcu
- Lúc ngắn mạch: U2 = 0, do đó Un là điện áp ngắn mạch rơi trên điện trở dây quấn. Vì Un