- 1. BÀ RỊA – VŨNG TÀU KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN -o0o- GIÁO TRÌNH MÁY ĐIỆN 1 PGS.TS. NGUYỄN LÂN TRÁNG VŨNG TÀU, THÁNG 06 NĂM 2015
- 2. BÀ RỊA-VÒNG TÀU PGS.TS. NGUYỄN LÂN TRÁNG GIÁO TRÌNH MÁY ĐIỆN TẬP 1 NGUYỄN LÂN TRÁNG GIÁO TRÌNH MÁY ĐIỆN 1 NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC VIỆT NAM
- 3. BÀ RỊA-VŨNG TÀU PGS.TS.NGUYỄN LÂN TRÁNG GIÁO TRÌNH MÁY ĐIỆN 1 NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC VIỆT NAM
- 4. điện là môn học cơ sở chuyên ngành bắt buộc cho tất cả sinh viên ngành điện, điện tử. Giáo trình máy điện này sẽ cung cấp cho sinh viên những kiến thức cơ bản về máy điện, cụ thể là trong giáo trình sẽ trình bày cấu tạo và nguyên lý làm việc cũng như các quan hệ điện từ của các máy biến áp, máy điện không đồng bộ, máy điện đồng bộ và máy điện một chiều. Trong giáo trình cũng sử dụng các mô hình toán để mô tả các quá trình vật lý của máy điện và các đặc tính chủ yếu của các loại máy điện. Trong khuôn khổ chương trình của môn học, nội dung của giáo trình sẽ đề cập đến các loại máy điện chính là máy biến áp, máy điện không đồng bộ, máy điện đồng bộ và máy điện một chiều. Giáo trình sẽ đi sâu vào mô tả cấu tạo và nguyên lý làm việc của các loại máy điện chính, các mô hình toán học mô tả quá trình biến đổi năng lượng, các phương pháp xác định các thông số và đặc tính chủ yếu của các loại máy điện trên. Về dây quấn máy điện quay, giới thiệu các kiểu dây quấn được sử dụng trong máy điện quay, nêu cụ thể các phương pháp tính toán và thành lập sơ đồ trải dây quấn máy điện không đồng bộ 1 pha và 3 pha. Giáo trình cũng đưa ra các câu hỏi ôn tập và các bài tập để sinh viên tự làm sau mỗi chương. Giáo trình này được chia làm hai tập, tập một gồm ba phần: 1-Máy biến áp, 2- Khái niệm về máy điện quay, 3- Máy điện không đồng bộ. Tập hai gồm hai phần: 4- Máy điện đồng bộ, 5- Máy điện một chiều. Giáo trình này được sử dụng làm tài liệu học tập chính của môn học máy điện cho sinh viên ngành Kỹ thuật điện trường Đại học Bà Rịa - Vũng Tàu. Do biên soạn lần đầu nên quyển sách giáo trình này không thể tránh khỏi thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được nhiều sự góp ý của bạn đọc. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về bộ môn Kỹ thuật điện, trường Đại học Bà Rịa - Vũng Tàu. Tác giả
- 5. NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN M.1. CÁC KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN Máy điện là tên gọi chung của các thiết bị biến đổi điện năng thành điện năng có các thông số (dòng, áp...) khác hoặc biến đổi điện năng thành cơ năng và ngược lại là biến đổi cơ năng thành điện năng. Trong thực tế, người ta nhận thấy rằng điện năng có những tính chất ưu việt so với các dạng năng lượng khác. Một trong các tính ưu việt của điện năng là điện năng có thể dễ dàng biến đổi thành các dạng năng lượng khác và ngược lại, các dạng năng lượng khác cũng có thể dễ dàng biến đổi thành điện năng. Khi muốn biến đổi cơ năng thành điện năng thì người ta dùng máy phát điện, còn khi muốn biến đổi điện năng thành cơ năng thì người ta dùng động cơ điện. Điện năng lại có thể chuyên tải đi xa với tổn thất ít. Muốn vậy người ta dùng máy biến áp tăng áp để nâng điện áp lên cao truyền đi và khi đã dẫn đến các hộ tiêu thụ thì lại dùng các máy biến áp hạ áp để hạ điện áp xuống cho phù hợp với các thiết bị sử dụng điện của hộ tiêu thụ. Máy biến áp còn được dùng trong rất nhiều thiết bị đo lường và điều khiển cũng như trong hàn điện, lò điện v.v... Nguyên lý chung của các máy điện là áp dụng các định luật cảm ứng điện từ để biến đổi điện năng hoặc tạo ra điện năng. Chính vì vậy cấu tạo chung của máy điện bao giờ cũng phải gồm mạch từ và mạch điện. Mạch từ gồm các bộ phận dẫn từ và khe hở không khí còn mạch điện gồm các cuộn dây. Mạch điện và mạch từ có quan hệ với nhau theo một quy luật nhất định - đó chính là nguyên lý cảm ứng điện từ. Tùy theo cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy điện mà chúng được phân loại như sau: - Máy điện đứng yên: máy biến áp. - Máy điện quay: gồm máy điện xoay chiều và máy điện một chiều. Máy điện xoay chiều có thể phân thành máy điện đồng bộ, máy điện không đồng bộ và máy điện có vành góp. - Máy điện quay lại có thể phân ra thành máy phát điện và động cơ điện tùy theo chiều biến đổi năng lượng của chúng. M.2. CÁC ĐỊNH LUẬT ĐIỆN TỪ VÀ CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1. Định luật cảm ứng điện từ của Faraday Định luật cảm ứng điện từ Faraday cho biết mối liên hệ giữa biến thiên từ thông trong diện tích mặt cắt của một vòng kín và điện trường cảm ứng dọc theo vòng đó. Định luật ban đầu được phát biểu là:
- 6. động được sinh ra bởi cảm ứng khi từ trường quanh vật dẫn điện thay đổi. Độ lớn của lực điện động cảm ứng tỷ lệ thuận với độ thay đổi của từ thông qua mạch điện. Khi nghiên cứu các thiết bị điện từ, định luật này thường được viết dưới dạng phương trình Maxwell: e = - dϕ dt Phương trình này có nghĩa là, một sự biến thiên của tổng từ thông móc vòng trong một dây dẫn điện sẽ tạo ra một sức điện động e tỉ lệ với đạo hàm của tổng từ thông biến thiên đó. Cũng có thể viết phương trình này dưới dạng: e = B.l.𝜐 trong đó 𝝊 là tốc độ chuyển động của một thanh dẫn l nằm trong từ trường có từ cảm là B vuông góc với chiều chuyển động của thanh dẫn đó. 2. Định luật bảo toàn năng lượng Định luật bảo toàn năng lượng của Faraday áp dụng trong mạch điện từ được biểu diễn dưới dạng công thức của Ampe như sau: ∮ Hdl = ∑ iw = F trong đó H là cường độ từ trường theo một đường khép kín bất kỳ trong một mạch điện, iw là tích số của dòng điện i với số vòng dây w mà nó đi qua, F là sức từ động tổng tác động lên mạch từ. 3. Định luật Laplace về lực điện từ Lực tác động lên đoạn dây dẫn có dòng điện chạy qua và nằm trong một từ trường bằng: 𝑓̅ = ∫ Bi. sin φ 1 0 . dl trong đó f là vectơ lực tác động trên đoạn dây dẫn, là góc giữa vectơ từ cảm B và vectơ dòng điện i. Nếu từ trường là từ trường đều và dây dẫn là thẳng thì ta có: 𝑓̅ = Bli sin 𝜑
- 7. trường điện từ Điện trường và từ trường đồng thời tồn tại trong không gian tạo thành một trường thống nhất gọi là trường điện từ. Trường điện từ là một dạng vật chất đặc trưng cho tương tác giữa các hạt mang điện. Mật độ năng lượng từ trường: Wm = 𝟏 𝟐 μ0μH2 Năng lượng từ trường tổng trong một thể tích V có không đổi bằng: W=∫ WmdV = 1 2 ∫ μ0μH2 dV = 1 2 Li2 Trong một thể tích từ trường có không đổi thì năng lượng tổng sẽ là: W = 1 2 ∫ μH2 dV v = 1 2 Li2 trong đó là hằng số từ thẩm, L là từ cảm, Li = chỉ từ thông móc vòng bởi dòng điện i và điện cảm L của cuộn dây. Nếu xét thêm hỗ cảm M giữa các cuộn dây thì năng lượng điện từ của hệ sẽ là: W = 1 2 ∫ μH2 dV v = L1i1 2 2 + L2i2 2 2 + M12i1i2 5. Hệ đơn vị tương đối Trong tính toán các đại lượng của máy điện, người ta thường dùng hệ đơn vị tương đối để được thuận tiện. Trong hệ đơn vị tương đối các đại lượng như dòng điện, điện áp, công suất, tần số, tốc độ góc, mômen… đều được biểu thị theo các lượng định mức tương ứng lấy làm cơ sở. Ví dụ: I∗ = I Ics ; U∗ = U Ucs ; P∗ = P Pcs ; S∗ = S Scs ; M∗ = M Mcs ; Z∗ = Z Zcs ;
- 8. đại lượng có dấu * là các đại lượng đã đổi sang hệ đơn vị tương đối còn các đại lượng cơ sở được lấy bằng các đại lượng định mức. M.3. CÁC VẬT LIỆU DÙNG TRONG CHẾ TẠO MÁY ĐIỆN Các vật liệu dùng để chế tạo máy điện có thể chia làm bốn loại chính là vật liệu dẫn từ, vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện và vật liệu kết cấu. 1. Vật liệu dẫn từ Vật liệu dẫn từ là vật liệu có từ trở nhỏ, như các loại thép từ tính khác nhau nhưng chủ yếu là dùng thép kỹ thuật điện, có hàm lượng silic khác nhau nhưng không vượt quá 4,5%. Hàm lượng silic này dùng để hạn chế tổn hao sắt từ do từ trễ và do dòng Fuco gây ra. Một biện pháp khác để giảm dòng Fuco là xẻ lõi thép thành các lá thép mỏng cỡ 0,2 đến 0,5mm. Thép kỹ thuật điện có hai loại là cán nóng và cán nguội. Loại cán nóng dễ chế tạo hơn nhưng loại cán nguội lại có nhiều đặc tính từ tốt hơn như độ từ thẩm cao hơn, tổn hao sắt từ ít hơn loại cán nóng. Loại thép lá cán nguội lại được chia làm hai loại là có hướng và vô hướng. Loại có hướng có đặc điểm là dọc theo chiều cán thì tính năng từ tính tốt hơn hẳn so với các chiều khác nên thường được dùng trong máy biến áp, còn loại vô hướng thì đặc tính từ đều theo mọi hướng nên thường dùng để chế tạo máy điện quay. 2. Vật liệu dẫn điện Vật liệu dẫn điện thường dùng đồng hoặc nhôm. Đồng dùng làm vật liệu dẫn điện phải là loại đồng không được có tạp chất quá 0,1%. Điện trở suất của đồng ở 20C là = 0,0172.mm2 /m. Nhôm có điện trở suất ở 20C là =0,0282 .mm2 /m, nhưng nhôm nhẹ và rẻ hơn đồng. 3. Vật liệu cách điện Vật liệu cách điện dùng để chế tạo các bộ phận có nhiệm vụ cách ly phần mang điện và phần không mang điện của máy điện. Vật liệu cách điện phải là loại vật liệu có độ bền điện cao, độ dẫn nhiệt tốt, chịu ẩm, chịu được hóa chất và có độ bền cơ thích hợp. Tùy theo yêu cầu chịu nhiệt của các bộ phận khác nhau mà người ta sẽ sử dụng những vật liệu cách điện có nhiệt độ làm việc cho phép khác nhau theo bảng sau: Cấp cách điện Y A E B F H C Nhiệt độ làm việc cho phép, C 90 105 120 130 155 180 >180 Nếu nhiệt độ làm việc tăng cao hơn nhiệt độ làm việc cho phép của vật liệu thì vật liệu cách điện sẽ bị lão hóa, nghĩa là giảm dần các độ bền về điện và cơ. Nếu làm việc trong phạm vi nhiệt độ làm việc cho phép thì tuổi thọ của vật liệu cách điện có thể kéo dài đến khoảng 15-20 năm, còn nếu nhiệt độ làm việc vượt quá nhiệt độ làm việc cho phép 8-10C thì tuổi thọ của vật liệu cách điện sẽ giảm đi một nửa. 4. Vật liệu kết cấu
- 9. cấu dùng để chế tạo các bộ phận và chi tiết khác, kết cấu nên máy điện, ví dụ như vỏ máy, hộp đấu dây ra, trục và ổ đỡ trục, chân đế... Người ta thường dùng gang, thép, kim loại màu, nhựa...để làm vật liệu kết cấu. M.4. SỰ PHÁT NÓNG VÀ LÀM MÁT MÁY ĐIỆN 1. Khái niệm chung Khi máy điện làm việc, sẽ có dòng điện chạy trong các bộ phận dẫn điện làm cho các bộ phận đó nóng lên. Đối với máy điện quay thì hiện tượng ma sát ở các ổ đỡ cũng gây ra sự phát nhiệt. Công suất càng cao thì nhiệt phát ra càng nhiều. Ngoài ra nhiệt độ của máy điện còn phụ thuộc vào chế độ làm việc liên tục, ngắn hạn hoặc ngắn hạn lặp lại. Vì vậy với một kết cấu và chế độ của máy điện thì tải của máy điện không thể vượt quá mức quy định theo nhiệt độ cho phép của các vật liệu dùng trong máy điện đó. Vì vậy nếu muốn tăng tải lên hoặc muốn tăng tuổi thọ của máy điện thì phải tăng cường các biện pháp làm mát máy điện. 2. Sự truyền nhiệt trong máy điện Trong máy điện, sự truyền nhiệt rất phức tạp do kết cấu của máy điện gồm rất nhiều bộ phận có kết cấu, vật liệu và hình dáng khác nhau. Tuy nhiên ta có thể phân tích và tính toán sự truyền nhiệt từ trong ra ngoài qua con đường truyền dẫn, bức xạ và đối lưu. a. Truyền nhiệt do dẫn nhiệt Truyền nhiệt do dẫn nhiệt (truyền dẫn) là sự truyền nhiệt giữa hai vật có nhiệt độ khác nhau 1 và 2. Để đơn giản ta xét trường hợp hai vật truyền nhiệt cho nhau qua hai diện tích S song song và có một lớp dẫn nhiệt ở giữa. Nhiệt lượng truyền qua được tính theo công thức: Q = λdnS δ (θ1 − θ2) (M.1) trong đó: - là khoảng cách giữa hai mặt song song; - dn là hệ số dẫn nhiệt (W/mC): + Đối với đồng dn= 385 W/mC + Đối với thép dn= 2045 W/mC + Đối với cách điện cấp A dn= 0,10,13 W/mC Ví dụ: Tính nhiệt lượng truyền qua diện tích 0,15m2 giữa dây quấn và vách rãnh bằng, qua một lớp cách điện cấp A, có hệ số dẫn nhiệt dn=0,115 W/mC, có chiều dầy là =0,4mm, biết cd = 1 - 2 =8C. Áp dụng công thức (M.1) ta có: Q = λdnS δ (θ1 − θ2) = 0,115.0,15 0,0004 . 8 = 345 W b. Truyền nhiệt do bức xạ
- 10. là bức xạ điện từ được tạo ra bởi chuyển động nhiệt của các hạt điện tích trong vật chất. Nhiệt lượng của một vật thể đen xám truyền ra ngoài do bức xạ bằng: ) ( . 4 4 2 1 T T bx S Q (M.2) trong đó: - bx là hệ số bức xạ có trị số 5,65.10-8 W/m2 C4 - S là diện tích mặt ngoài của vật thể - 1 T và 2 T là nhiệt độ tuyệt đối mặt ngoài của vật thể và của môi trường xung quanh. Đối với các máy điện thường có θT1 = 273 + θ1 và θT2 = 273 + θ2 thay đổi trong phạm vi nhỏ nên (M.2) có thể viết gần đúng như sau: ) θ .S(θ λ ) θ .S(θ λ Q 2 1 bx T T bx 2 1 bx.S. trong đó hệ số bức xạ đã biến đổi bx là nhiệt lượng bức xạ trong một đơn vị thời gian từ một đơn vị diện tích khi nhiệt độ tăng 1C. c. Truyền nhiệt do đối lưu Truyền nhiệt đối lưu là phương thức truyền nhiệt chủ yếu của chất lỏng và chất khí. Một phần chất lỏng hoặc khí tiếp xúc với vật nóng sẽ tăng nhiệt độ và chuyển động lên trên nhường chỗ cho phần chất lỏng hoặc khí nặng hơn do có nhiệt độ thấp hơn. Quá trình đó gọi là quá trình truyền nhiệt do đối lưu tự nhiên. Nhiệt lượng truyền dẫn từ vật thể do đối lưu cũng bằng: Q = dl.S. trong đó hệ số đối lưu dl là nhiệt lượng truyền đi từ một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian khi nhiệt độ tăng 1C. Trong máy điện, có thể lấy hệ số đối lưu của không khí bằng 8 W/m2 .C còn hệ số đối lưu của dầu máy biến áp lớn hơn khoảng 1520 lần. 3. Sự phát nóng trong các chế độ làm việc của máy điện Với các chế độ làm việc khác nhau, tình trạng phát nóng của các máy điện sẽ khác nhau. Người ta quy định một số chế độ làm việc như sau: a. Chế độ làm việc định mức liên tục, ví dụ máy phát điện, máy biến áp... b. Chế độ làm việc định mức ngắn hạn, ví dụ máy tiện, động cơ điện cần trục... c. Chế độ làm việc gián đoạn lặp lại, ví dụ như động cơ trong thiết bị tự động... Phần lớn máy điện được chế tạo để dùng ở chế độ làm việc định mức liên tục.
- 11. ÁP
- 12. CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 1.1. ĐẠI CƯƠNG Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh, làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, biến đổi hệ thống dòng điện và điện áp xoay chiều này sang hệ thống dòng điện và điện áp xoay chiều khác có cùng tần số. Như vậy máy biến áp chỉ làm nhiệm vụ biến đổi thông số của điện năng chứ không chuyển hóa năng lượng từ dạng này sang dạng khác. Trong các bản vẽ, máy biến áp được ký hiệu bằng hai vòng tròn lồng nhau như trên hình 1-1. Trong hệ thống điện, để truyền tải điện năng đi xa, người ta phải nâng điện áp lên cao để giảm tổn thất điện áp và tổn thất điện năng. Muốn vậy người ta sử dụng các máy biến áp điện lực loại tăng áp. Khi muốn hạ điện áp xuống thì người ta sử dụng máy biến áp điện lực loại hạ áp (hình 1-1). Khi sử dụng máy biến áp như vậy, tất nhiên sẽ làm tăng chi phí mua sắm máy biến áp, tăng chi phí cho cách điện nhưng lại giảm tổn thất điện năng, giảm tiết diện dây dẫn nên khi thiết kế cần phải so sánh kinh tế kỹ thuật để chọn cấp điện áp truyền tải tối ưu nhất tùy theo công suất truyền tải và khoảng cách truyền tải. Hình 1-1. Hệ thống truyền tải điện đi xa Để đo lường và thí nghiệm được các thông số trong hệ thống điện, thường phải dùng các máy biến áp trung gian để hạ điện áp và dòng điện xuống. Các máy biến áp đặc biệt đó gọi là các máy biến điện áp và máy biến dòng điện. Người ta cũng dùng các máy biến áp tăng áp công suất nhỏ cho mục đích thí nghiệm với điện áp cao. Máy biến áp còn dùng trong các thiết bị điều khiển, lò nung, hàn điện... 1.2. CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP Máy biến áp thường có cấu tạo gồm ba bộ phận chính là khung từ, dây quấn và vỏ máy. Đối với máy biến áp nhỏ, đôi khi không cần vỏ máy. 1.2.1. Khung từ Khung từ dùng để khép mạch từ và được tạo nên từ các lá thép kỹ thuật điện (dày 0,35 - 0,5mm), sơn cách điện hai phía. Phần chứa dây quấn gọi là lõi hoặc trụ (ký hiệu bằng chữ T), phần nối các trụ gọi là gông (ký hiệu bằng chữ G). Giữa trụ và gông có 3 cách ghép (hình 1-2): Máy phát điện Máy biến áp hạ áp Máy biến áp tăng áp Đường dây tải điện Phụ tải điện
- 13. riêng trụ, riêng gông sau đó ghép chúng lại với nhau. Cách ghép này dễ làm, đặt dây dễ nhưng mạch từ không chắc chắn, khe hở lớn, dòng từ hoá không tải lớn, trọng lượng các chi tiết lắp ghép lớn. b) Ghép xen kẽ Các lá thép của lõi và gông lắp xen kẽ nhau: khung từ chắc chắn, giảm tổn hao, nhưng ghép khó và đặt dây khó. c) Ghép nghiêng Tương tự ghép xen kẽ nhưng tại các góc được cắt chéo, sử dụng hết tính ưu việt của thép cán nguội, tuy nhiên làm tăng độ phức tạp khi lắp ráp. Hình 1-2. Các cách ghép lõi thép của máy biến áp 1.2.2. Dây quấn Dây quấn là bộ phận dẫn điện của máy biến áp, nó thu năng lượng vào và truyền năng lượng ra, vật liệu là đồng, nhôm cách điện có tiết diện tròn hoặc dẹt, quấn kiểu đồng tâm hoặc xen kẽ. Những yêu cầu đối với dây quấn là: - Ổn định về cơ học khi ngắn mạch, về điện khi quá áp, thoả mãn yêu cầu về nhiệt, đảm bảo tuổi thọ của máy; - Có cấu tạo đơn giản, thi công dễ dàng; - Đảm bảo các chỉ tiêu về kinh tế. Có các cách thực hiện dây quấn sau: 1. Dây quấn đồng tâm Dây quấn đồng tâm là loại dây quấn theo những vòng tròn đồng tâm. Dây quấn đồng tâm có ba loại chính là: Dây quấn hình trụ (hình 1-4a,b), dùng cho cả dây quấn cao áp và hạ áp. Với dây tiết diện nhỏ thường quấn nhiều lớp còn tiết diện lớn chỉ quấn hai lớp. Dây Hình 1-3. Tiết diện của trụ Trụ thép là nơi để quấn dây lên đó nên để tiện cho việc quấn dây, người ta thường chế tạo sao cho tiết diện ngang của trụ thép làm thành hình bậc thang gần hình tròn (hình 1-3). Gông từ do không phải quấn dây nên có thể chế tạo tiết diện ngang tùy ý nhưng thường cũng hay dùng tiết diện gông hình bậc thang có số bậc gần bằng số bậc của tiết diện trụ. G T T T G G G a) Ghép rời b) Ghép xen kẽ G G T T T G c) Ghép nghiêng
- 14. thường dùng cho cuộn cao áp tới 35kV, tiết diện bẹt thường dùng cho cuộn hạ áp với điện áp 6kV trở xuống; Dây quấn hình xoắn (hình 1-4c), dùng cho dây quấn hạ áp có nhiều sợi chập, với máy biến áp dung lượng trung bình và lớn; Dây quấn hình xoáy ốc liên tục (hình 1-4d), dùng cho dây quấn cao áp có điện áp 35kV trở lên. Hình 1-4. Dây quấn hình trụ 2. Dây quấn xen kẽ Các bánh dây cao áp và hạ áp lần lượt được quấn xen kẽ nhau theo trụ thép. Thông thường cuộn hạ áp được đặt bên trong sát phần lõi thép nhằm cách điện cho dễ. Hình thức này áp dụng cho máy biến áp kiểu bọc. Các cuộn dây được lồng khít vào các trụ thép (hình 1-5). (c) (d)
- 15. máy gồm hai bộ phận chính là thùng máy và nắp thùng. 1. Thùng máy Để tăng khả năng cách điện, chống lại tác động của môi trường, tăng khả năng làm mát, toàn bộ các cuộn dây và lõi thép của máy biến áp điện lực được đặt trong một thùng có chứa đầy dầu biến áp (hình 1- 6). Loại dầu này có khả năng tản nhiệt nhanh hơn không khí gấp 28 lần, nó còn làm tăng cường độ cách điện của máy. Để tăng cường tản nhiệt do các cuộn dây và lõi thép sinh ra khi máy làm việc, ngoài việc dựa trên nguyên lý đối lưu tự nhiên của dầu, ở các máy biến áp lớn (từ 50kVA trở lên) người ta còn gắn bên ngoài thùng dầu một hệ thống ống (hoặc cánh) tản nhiệt và với máy biến áp ba pha rất lớn (từ 10 MVA trở lên) thì lắp thêm hệ thống làm mát dầu cưỡng bức (hình 1- 7). 2. Nắp thùng Nắp thùng dùng để đậy kín thùng và cố định các chi tiết quan trọng như: - Sứ xuyên cao áp và hạ áp để dẫn điện vào và ra. - Bình giãn dầu là nơi để giãn dầu khi nhiệt độ dầu tăng lên và ở bên cạnh bình giãn dầu có một ống thủy tinh để theo dõi mức dầu trong thùng máy. - Ống bảo hiểm để khi áp suất trong thùng tăng lên đột ngột, đĩa thủy tinh lắp ở đầu ống sẽ vỡ, dầu theo đó thoát ra nên máy biến áp sẽ không bị hư hỏng. Hình 1-5. Lắp ráp cuộn dây MBA
- 16. để móc cáp khi cần vận chuyển máy biến áp. Toàn bộ các chi tiết của một máy biến áp điện lực ba pha cỡ lớn được trình bày trên hình 1-8. Hình 1-6. Máy biến áp 1 pha Hình 1-7. Bộ tản nhiệt cưỡng bức
- 17. biến áp ba pha công suất lớn 1.3. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP Hình 1-9. Sơ đồ nguyên lý của máy biến áp Xét sơ đồ nguyên lý của một máy biến áp một pha có 2 dây quấn (hình 1-9): cuộn sơ cấp có W1 vòng dây, cuộn thứ cấp có W2 vòng dây. Khi đặt vào dây quấn sơ cấp điện áp xoay chiều U1 sẽ có dòng điện I1 chạy qua, trong lõi thép sinh ra từ thông móc vòng với cả 2 dây quấn khép kín mạch trong lõi thép. Nếu U1 là hình sin thì từ thông cũng là hình sin, nghĩa là: = m sin t. Và theo định luật cảm ứng điện từ trong cả 2 dây quấn sẽ sinh ra một sức điện động: ) 2 ( sin 2 cos sin 1 1 1 1 1 t E t W dt t d W dt d W e m m ) 2 ( sin 2 cos sin 2 2 2 2 2 t E t W dt t d W dt d W e m m Trong đó: ~ Zt U2 U1 I1 I2 C W1 W2 e2 e1
- 18. 44 , 4 2 2 2 (1.1) m m m W f W f W E 2 2 2 2 44 , 4 2 2 2 (1.2) Dựa vào (1.1) và (1.2) ta có định nghĩa tỉ số biến đổi của máy biến áp như sau: 2 1 2 1 W W E E k ; nếu bỏ qua điện áp rơi trên các dây quấn thì: 2 2 1 1 ; E U E U và 2 1 2 1 2 1 U U W W E E k (k > 1 có máy biến áp giảm áp; k < 1 có máy biến áp tăng áp; k =1 có máy biến áp cách ly thường dùng trong phòng thí nghiệm). Ví dụ 1 Một máy biến áp giảm áp một pha lý tưởng (không bị sụt áp, không tổn hao, dòng điện không tải bằng không) có S = 500kVA, 22000/220V, MBA được nối vào lưới điện có điện áp 22kV, f = 50Hz, từ thông cực đại trong lõi thép lúc này là 0,0682Wb. Xác định số vòng của dây quấn sơ cấp và thứ cấp. Nếu điện áp tăng 10% và tần số giảm 5%, xác định từ thông mới trong lõi thép. Giải Số vòng dây của cuộn sơ cấp: W1 = UCA 4,44.f. = 22000 4,44.50.0,0682 = 1453 vòng Số vòng dây của cuộn thứ cấp: W2 = W1.UHA UCA = 1453.220 22000 = 15 vòng Từ thông trong lõi thép khi điện áp tăng và tần số giảm: = 1,1.UCA 4,44.0,95.f.W1 = 1,1.22000 4,44.0,95.50.1453 = 0,079 Wb 1.4. MÁY BIẾN ÁP 3 PHA Để biến đổi điện áp của hệ thống dòng điện ba pha, ta có thể dùng 3 máy biến áp một pha (hình 1-10a) hoặc dùng máy biến áp ba pha (hình 1-10b)
- 19. biến áp 3 pha Về cấu tạo, lõi thép MBA 3 pha gồm 3 trụ. Dây quấn sơ cấp ký hiệu bằng các chữ in hoa: Pha A ký hiệu AX, pha B ký hiệu BY, pha C ký hiệu CZ. Dây quấn thứ cấp ký hiệu bằng chữ thường: Pha a là ax, pha b là by, pha c là cz. Dây quấn sơ và thứ cấp có thể nối sao hoặc tam giác. Gọi số vòng dây một pha sơ cấp là W1, số vòng dây một pha thứ cấp là W2, tỷ số điện áp pha giữa sơ cấp và thứ cấp sẽ là: Up1/Up2 = W1/W2 Như vậy, tỷ số điện áp dây không chỉ phụ thuộc vào tỷ số vòng dây mà còn phụ thuộc vào cách nối hình sao hay tam giác. 1.5. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐỊNH MỨC CỦA MÁY BIẾN ÁP Máy biến áp có các lượng định mức sau: - Dung lượng hay công suất định mức - Sđm (VA, kVA, MVA): là công suất toàn phần đưa ra ở dây quấn thứ cấp của máy biến áp. - Điện áp dây sơ cấp định mức - U1đm (V, kV): là điện áp dây được đặt vào dây quấn sơ cấp, nếu dây quấn này có các đầu phân nhánh thì sẽ ghi cho từng đầu phân nhánh đó. - Điện áp dây thứ cấp định mức - U2đm (V, kV): là điện áp dây của dây quấn thứ cấp khi điện áp sơ cấp là định mức và thứ cấp để hở mạch (không tải). - Dòng điện dây định mức sơ và thứ cấp - I1đm, I2đm (A, kA): là cường độ dòng điện dây của dây quấn sơ và thứ khi công suất và điện áp định mức. Có thể tính các dòng điện này như sau: + Máy biến áp 1 pha: I1đm = Sđm / U1đm, I2đm = Sđm / U2đm + Máy biến áp 3 pha: dm dm dm dm dm dm U S I U S I 2 2 1 1 3 ; 3 - Tần số định mức - fđm (Hz): tần số công nghiệp ở nước ta fđm = 50 Hz. Ngoài ra trên nhãn máy còn ghi số pha; sơ đồ và tổ nối dây quấn; i0%; un%. Ví dụ 2 Cần lựa chọn máy biến áp cho trạm biến áp phân phối cấp điện cho một khu nhà ở tập thể của công nhân gồm ba nhà 5 tầng, mỗi tầng có 10 căn hộ. Qua điều tra sơ bộ, với mức sống trung bình của hộ gia đình công nhân thì công suất trung bình của một hộ là: Po = 3 kW/hộ. Biết mạng điện trung áp ở khu vực này có điện áp định mức là 22 kV. Tính dòng điện dây sơ cấp định mức của máy biến áp vừa chọn. Giải Do đây là hộ loại 3 nên trạm biến áp chỉ cần chọn một máy biến áp. Công suất tính toán cho một nhà tập thể của công nhân như sau:
- 20. x 5 x 10 = 150 kW Công suất tính toán cho cả khu nhà ở tập thể, lấy hệ số đồng thời Kđt = 1: Ptt = 3 x Pt1 = 3 x 150 = 450 kW Lấy cos = 0,85, xác đinh được công suất tính toán toàn phần: Stt= 450 0,85 = 529 kVA Chọn máy biến áp phân phối có công suất 560 kVA do ABB sản xuất, không cần hiệu chỉnh nhiệt độ. Dòng điện dây sơ cấp định mức của máy biến áp vừa chọn là: I1đm = Sđm √3U1đm = 560 √3.22 = 14,7 A. 1.6. PHÂN LOẠI MÁY BIẾN ÁP Người ta phân loại máy biến áp tùy theo các cách như sau: - Theo cách làm mát: máy biến áp khô, dầu, làm mát tự nhiên, làm mát cưỡng bức... - Theo công dụng: máy biến áp điện lực, đo lường, hàn, luyện kim... - Theo kết cấu mạch từ: máy biến áp 1 pha, máy biến áp 3 pha 3 trụ, 3 pha 5 trụ, loại mạch từ độc lập, mạch từ liên quan... Hình 1-11 Máy Hình 1-12 Máy Hình 1-13 Máy biến áp hàn biến dòng điện biến điện áp 1.7. MỘT SỐ VẤN ĐỀ CẦN LƯU Ý KHI LẮP ĐẶT VÀ VẬN HÀNH MÁY BIẾN ÁP ĐIỆN LỰC Khi lắp đặt và vận hành máy biến áp điện lực cần lưu ý những vấn đề sau: 1. Vị trí đặt trạm biến áp càng gần tâm phụ tải càng giảm được tổn thất điện năng. 2. Vị trí đặt trạm biến áp phải được chọn sao cho phù hợp với qui hoạch và qui định của địa phương và các vùng lân cận.
- 21. đặt trạm phải thuận tiện về mặt địa lí như gần đường giao thông, có đủ chỗ để xây dựng và phát triển, thuận tiện cho các tuyến dây vào và ra. 4. Vị trí đặt trạm phải đảm bảo cho việc điều áp cho trạm. 5. Vị trí đặt trạm phải đảm bảo về mặt mĩ thuật về kiến trúc và không phá vỡ cảnh quan môi trường. 6. Khi chọn các máy biến áp làm việc song song, cần đảm bảo các điều kiện sau: a. Cùng tổ nối dây b. Cùng cấp điện áp và hệ số biến đổi c. Cùng điện áp ngắn mạch. Un giữa các máy không nên chênh lệch quá 10% 7. Không để MBA làm việc không tải hoặc quá non tải 8. Cần định kỳ kiểm tra mức dầu trong máy, tránh hiện tượng dầu cạn quá nhiều gây nóng máy và có thể dẫn đến cháy nổ 9. Cần theo dõi hiệu suất của MBA để có biện pháp kịp thời về bảo dưỡng, vận hành nâng cao hiệu suất làm việc cho MBA Câu hỏi 1. Máy biến áp là gì? Có các loại máy biến áp nào? Tại sao trong hệ thống điện lại phải dùng rất nhiều máy biến áp điện lực? Kết cấu của máy biến áp gồm những bộ phận chính nào? Từng bộ phận đó có tác dụng như thế nào? 2. Trên vỏ máy biến áp thường ghi những lượng định mức nào? Ý nghĩa của chúng ra sao? 3. Hãy giải thích các vấn đề cần lưu ý khi lắp đặt và vận hành máy biến áp điện lực? Bài tập 1. Hãy viết biểu thức của sức điện động e1 và e2 trong máy biến áp một pha khi biết sức điện động E1=100V và E2=50V. 2. Hãy tính các dòng điện định mức của máy biến áp một pha khi biết các số liệu sau: Sđm= 30 VA; U1đm/U2đm=220/19 V. Đáp số: I1đm= 0,14 A; I2đm= 1,58 A. 3. Hãy tính các dòng điện định mức của máy biến áp ba pha khi biết các số liệu sau: Sđm=160 kVA; U1đm/U2đm=22/0,4 kV. Đáp số: I1đm= 4,2 A; I2đm= 230,94A. 4. Một máy biến áp một pha có Sđm = 200VA; U1đm = 220V; U2đm = 110V. Cuộn cao áp 1 có số vòng dây W1 = 300 vòng, tần số f = 50Hz. Hãy tính: - Số vòng dây cuộn hạ áp 2
- 22. m trong trụ thép. Đáp số: W2 = 150 vòng; m = 0,0033Wb. 5. Một máy biến áp giảm áp một pha lý tưởng (không bị sụt áp, không tổn hao, dòng điện không tải bằng không) có S = 560kVA, 22000/380V, MBA được nối vào lưới điện có điện áp 22kV, f = 50Hz, từ thông cực đại trong lõi thép lúc này là 0,0872Wb. Xác định số vòng của dây quấn sơ cấp và thứ cấp. Nếu điện áp giảm 10% và tần số tăng 5%, xác định từ thông mới trong lõi thép. Đáp số: W1 = 1136 vòng; W2 = 20 vòng; = 0,0747Wb. Chương 2 TỔ NỐI DÂY VÀ MẠCH TỪ CỦA MÁY BIẾN ÁP 3 PHA 2.1. ĐẠI CƯƠNG Các dây quấn pha sơ cấp hoặc thứ cấp của máy biến áp cần được nối với nhau theo một quy luật nhất định để máy biến áp có thể làm việc bình thường. Cách phối hợp kiểu nối dây quấn sơ cấp và kiểu nối dây quấn thứ cấp tạo ra quy ước được gọi là các tổ nối dây của máy biến áp. Khi thiết kế, cần chọn tổ nối dây sao cho phù hợp với kết cấu của mạch từ để tránh những hiện tượng không tốt như làm méo tín hiệu hình sin, làm tăng tổn hao phụ v.v... 2.2. TỔ NỐI DÂY CỦA MÁY BIẾN ÁP 2.2.1. Kí hiệu qui ước các đầu dây Để tiện cho việc đấu nối máy biến áp với các thiết bị khác, người ta qui ước kí hiệu các đầu dây ra như sau: - Máy biến áp 1 pha: + dây quấn sơ cấp: đầu đầu A, đầu cuối X
- 23. thứ cấp: đầu đầu a, đầu cuối x - Máy biến áp 3 pha: cao áp (A,B,C và X,Y,Z); trung áp (Am, Bm, Cm và Xm, Ym, Zm); hạ áp (a,b,c, và x,y,z); trung tính (O,Om, o). Nếu kí hiệu ngược hay đấu ngược một pha (ví dụ pha B ở trên hình 2-1) thì điện áp dây sẽ không còn đối xứng nữa và sẽ gây tác hại cho phụ tải. Chính vì vậy khi đấu nối các đầu dây của máy biến áp cần hết sức quan tâm đến kí hiệu của các đầu dây ra. Dây quấn của máy biến áp có thể đấu hình sao (kí hiệu là Y) hay hình tam giác (kí hiệu là ). Đấu Y thì ba đầu X, Y, Z nối chập lại với nhau, còn ba đầu A, B, C đấu ra ngoài (hình 2-2). Nếu đấu Y có dây trung tính thì kí hiệu là Y0. Đấu thì đầu đầu của pha này đấu với đầu cuối của pha kia theo thứ tự: AX - BY - CZ (hình 2-3). B A B C C A B A B C C A X Y Z X Y Z Hình 2-2. Đấu hình sao Hình 2-3. Đấu hình tam giác Hình 2-1. Đồ thị vectơ điện áp khi đấu sai đầu B
- 24. dây của máy biến áp Tổ nối dây của máy biến áp là qui ước để chỉ rõ sự phối hợp giữa kiểu đấu dây của cuộn dây sơ cấp và kiểu đấu dây của cuộn dây thứ cấp. Nó chỉ rõ góc lệch pha giữa các sức điện động trên dây sơ cấp và dây thứ cấp của máy biến áp. Góc lệch pha này phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Chiều quấn dây; - Kí hiệu các đầu dây; - Kiểu đấu dây quấn ở sơ cấp và thứ cấp. Để dễ hình dung ra góc lệch tương đối giữa các sức điện động, người ta dùng quy tắc kim đồng hồ như sau: - Quy tắc kim đồng hồ: dùng kim phút biểu thị điện áp dây hoặc sức điện động của dây quấn sơ cấp và luôn chỉ cố định ở số 12; kim giờ biểu thị điện áp dây hoặc sức điện động của dây quấn thứ cấp. Nó chỉ vào vị trí của giờ nào cho ta tổ nối dây đó. Đối với máy biến áp 1 pha có ba trường hợp nối dây và có hai tổ nối dây sau: Đối với máy biến áp 3 pha có thể có 12 tổ đấu dây. Tuy nhiên thường chỉ có hai trường hợp nối Y/Y và nối Y/. Khi đấu Y/Y có nghĩa là cuộn dây cao đấu sao và cuộn dây hạ áp cũng đấu sao, còn khi đấu Y/ có nghĩa là cuộn dây cao áp đấu sao còn cuộn dây hạ áp đấu tam giác. Cách đấu Y/ thường áp dụng cho các máy biến áp truyền tải công suất lớn vì với cách đấu này phía cao áp điện áp pha nhỏ đi 3 lần so với điện áp dây nên có thể giảm a) b) c) Hình 2-4. Tổ đấu dây I/I-12 (trường hợp a) và tổ đấu dâyI/I- 6 (trường hợp b và c)
- 25. y z A B C chi phí cách điện; phía hạ áp thì dòng điện pha nhỏ đi 3 lần so với dòng điện dây nên chỉ cần dùng dây dẫn nhỏ hơn, tiết kiệm được vốn đầu tư và giảm kích thước của máy biến áp. a - Máy biến áp 3 pha dây quấn nối Y/Y Ví dụ: cho sơ đồ nối dây hình 2-5, hãy tìm tổ nối dây. Trình tự các bước tiến hành: xác định chiều sức điện động các pha của dây quấn sơ và thứ cấp, vẽ đồ thị vectơ điện áp pha của dây quấn sơ cấp rồi xác định lấy một vectơ điện áp dây ví dụ là UAC, vẽ tiếp đồ thị vectơ điện áp pha dây quấn thứ cấp và cũng xác định vectơ điện áp dây tương ứng với sơ cấp là uac, xác định góc lệch giữa hai vectơ điện áp này là 3600 (hoặc 00 ), dùng quy tắc kim đồng hồ tìm được tổ nối dây là Y/Y-12. b - Máy biến áp nối Y/ Ví dụ: cho sơ đồ nối dây hình 2-6, hãy tìm tổ nối dây? Hình 2-6. Tổ nối dây Y/-11 Uac A B C UAC UAC Uac a b c 12 Y/Y-12 A B C a b c Hình 2-5. Tổ nối dây Y/Y-12
- 26. cho việc chế tạo và sử dụng máy biến áp, trên thực tế người ta thường chỉ sản xuất các máy biến áp điện lực có các tổ nối dây được chỉ ra trong bảng sau: Tổ nối dây Điện áp Dung lượng máy biến áp (kVA) Cao áp (kV) Hạ áp (V) Y/Y0 – 12 Y/ – 11 Y0/ – 11 ≤ 35 ≤ 35 ≥ 110 ≥ 6,3 230 400 525 ≥525 ≥ 3150 ≥3300 ≤ 560 ≤ 1800 ≤ 1800 ≥ 5600 ≥ 3200 ≥ 7500 Ví dụ : Cho ba MBA có cùng tổ nối dây quấn và tỉ số biến đổi với các số liệu sau : SđmI = 180kVA; SđmII = 240kVA; SđmIII = 320kVA; unI% = 5,4; unII% = 6,0; unIII% = 6,6. Hãy xác định tải của mỗi MBA khi tải chung của các MBA bằng tổng công suất của chúng và tính xem tải tối đa của các MBA để không MBA nào bị quá tải ? Giải Tổng công suất của ba máy : S = 180 + 240 + 320 = 740 kVA Hệ số tải của các máy : 125 , 1 ) 6 , 6 320 6 240 4 , 5 180 .( 4 , 5 740 ni dmi nI tI u S u S k 01 , 1 ) 6 , 6 320 6 240 4 , 5 180 ( 6 740 ni dmi nII tII u S u S k 92 , 0 ) 6 , 6 320 6 240 4 , 5 180 .( 6 , 6 740 ni dmi nIII tIII u S u S k Công suất tải của các máy : SI = ktI.SđmI = 1,125 x 180 = 202,5 kVA SII = ktII.SđmII = 1,01 x 240 = 243 kVA
- 27. = 0,92 x 320 = 294,5 kVA Ta thấy MBA I có un nhỏ nhất bị quá tải nhiều, trong khi đó MBA III có un lớn bị hụt tải. Tải tổng tối đa để không MBA nào bị quá tải ứng ktI = 1. Lúc đó ta có : kVA kVA S S u S u S k ni dmi nI tI 658 72 , 657 1 ) 6 , 6 320 6 240 4 , 5 180 .( 4 , 5 Rõ ràng là phần công suất đặt của các MBA không được lợi dụng sẽ bằng: 740 - 658 = 82 kVA. 2.3. MẠCH TỪ CỦA MÁY BIẾN ÁP 2.3.1. Các dạng mạch từ Đối với máy biến áp một pha có hai loại kết cấu mạch từ kiểu bọc và kiểu lõi. Với máy biến áp ba pha dựa vào sự không liên quan hay có liên quan của mạch từ mà chia ra mạch từ độc lập và mạch từ chung. - Mạch từ độc lập: Trong đó từ thông ba pha độc lập nhau, ví dụ khi ghép ba máy biến áp một pha vào thành ba pha gọi là tổ máy biến áp ba pha (hình 2-7). Hình 2-7. Tổ máy biến áp ba pha
- 28. chung: Trong đó từ thông ba pha có sự liên quan với nhau, ví dụ như máy biến áp ba pha ba trụ (hình 2-8) hoặc ba pha năm trụ (hình 2-9). Khi đó kết cấu lõi thép trong trường hợp này là không đối xứng, ở trụ giữa ngắn hơn dẫn đến dòng từ hoá ba pha là không đối xứng. Tuy nhiên sự không đối xứng đó cũng khônglàm ảnh hưởng tới sự làm việc bình thường của máy biến áp là bao nhiêu bởi dòng từ hoá máy biến áp rất nhỏ so với dòng định mức. 2.3.2. Những hiện tượng xảy ra khi từ hóa lõi thép máy biến áp Máy biến áp muốn làm việc được thì cần đóng điện áp vào cuộn dây sơ cấp để từ hóa lõi thép. Khi từ hóa lõi thép của máy biến áp, có thể mạch từ sẽ bị bão hòa làm ảnh hưởng đến tình trạng làm việc của máy biến áp. Ta sẽ xét trường hợp không tải để khảo sát xem dòng từ hóa I0 sinh ra từ thông như thế nào. 1) Máy biến áp 1 pha Điện áp đặt vào cuộn dây sơ cấp sẽ sinh ra dòng I0 và dòng I0 đó sẽ sinh ra từ thông chạy trong lõi thép. Nếu điện áp đặt vào là điện áp hình sin thì ta có: u(t) = Umsint Nếu bỏ qua từ thông rò và bỏ qua tổn thất đồng và sắt trong máy biến áp thì Hình 2-9. Máy biến áp ba pha năm trụ Hình 2-8. Máy biến áp ba pha ba trụ
- 29. = 𝐝 𝐝𝐭 (2.1) Suy ra từ thông cũng biến thiên theo quy luật hình sin: = msin(t - 𝝅 𝟐 ) (2.2) a) Khi bỏ qua tổn thất trong lõi thép + i0 thuần túy là dòng điện phản kháng để từ hóa lõi thép: i0 = i0x. Do đó quan hệ = f (i0) chính là quan hệ từ hóa B = f(H). Dựa vào đường = f (i0) ững với mỗi giá trị tức thời của = f (t) ta dễ dàng tìm được trị số i0 tương ứng và vẽ được đường biểu diễn i0 = f(t), (hình 2-10). + Do hiện tượng bão hòa của lõi thép, nếu là hình sin, i0 sẽ không sin mà có dạng nhọn đầu và trùng pha với . Điều đó có nghĩa là i0 ngoài thành phần sóng hài cơ bản i01 còn có các thành phần sóng hài điều hòa bậc cao i03, i05, i07... Trong đó thành phần i03 lớn nhất không thể bỏ qua, còn các thành phần bậc cao hơn rất bé nên có thể bỏ qua. I03 chính là nguyên nhân làm cho i0 nhọn đầu và như vậy mạch từ càng bão hòa i0 càng nhọn đầu. b) Khi có xét cả tổn thất trong lõi thép Khi đó quan hệ = f (i0) chính là quan hệ từ hóa B = f(H).
- 30. = f(t) và = f(i0) ta vẽ được đường biểu diễn quan hệ i0 = f(t) (hình 2-11). Từ đường cong i0 = f(t) cho ta thấy nếu là hình sin thì i0 có dạng nhọn đầu nhưng vượt pha so với một góc α, α lớn hay bé là tùy theo mức độ từ trễ của B đối với H nhiều hay ít, tức là tổn hao từ trễ trong lõi thép nhiều hay ít. Vì vậy α được gọi là góc tổn hao từ trễ. Nếu coi là một vectơ nằm ngang thì i0 vượt trước một góc α. Dòng điện từ hóa gồm hai thành phần: + Iox: Thành phần dòng điện phản kháng để sinh ra trong lõi thép nên nó cùng chiều với . + Ior: Thành phần dòng điện tác dụng, vuông góc với Iox, là dòng điện gây nên tổn thất sắt từ trong lõi thép. 2. Máy biến áp 3 pha Nếu xét riêng từng pha khi không tải thì dòng điện bậc 3 trong các pha là: i03A = i03m sin 3t i03B = i03m sin 3(t – 1200 ) = i03m sin 3t i03C = i03m sin 3(t -2400 ) = i03m sin 3t Dòng điện trùng pha nhau về thời gian, nghĩa là tại mọi điểm, chiều của dòng điện có trong 3 pha hoặc hướng từ đầu đầu đến đầu cuối của cuộn dây hoặc ngược lại. Tuy nhiên chúng có tồn tại hay không và dạng sóng như thế nào còn phụ thuộc vào kết cấu của mạch từ và cách đấu các cuộn dây. a. Trường hợp máy biến áp nối Y/Y Hình 2-12 Dòng điện từ hóa và các thành phần của nó Hình 2-11. Ảnh hưởng của từ trễ
- 31. phần bậc 3 không tồn tại trong dây quấn hình sao nên dòng từ hóa i0 có dạng hình sin nên từ thông do nó sinh ra cũng có dạng hình sin (hình 2-13°). Một cách gần đúng ta xem đường cong là tổng của hai đường 1 và 3. Đối với tổ máy biến áp 3 pha vì mạch từ của cả 3 pha riêng lẻ nên từ thông của cả 3 pha cùng chiều tại mọi thời điểm sẽ dễ dàng khép kín mạch trong từng lõi thép riêng rẽ như từ thông 1. Do từ trở của lõi thép rất nhỏ nên từ thông 3 = (15 ÷ 20)% 1 và e3 =(45 ÷ 60)% e1 do đó e = e1 + e3 sẽ có dạng nhọn đầu như đã được biểu diễn trên hình 2-13b. Như vậy, biên độ của s.đ.đ pha tăng lên rõ rệt có thể chọc thủng cách điện của cuộn dây hoặc làm hỏng thiết bị đo lường... Chính vì vậy, người ta không dùng kiểu đấu dây Y/Y cho tổ máy biến áp 3 pha. Tuy nhiên, do dây quấn nối Y nên s.đ.đ dây sẽ không có thành phần bậc 3 và s.đ.đ dây vẫn có dạng hình sin. Đối với máy biến áp 3 pha 5 trụ, do từ thông khép mạch kín trong lõi thép nên các kết luận cũng tương tự như trong tổ máy biến áp 3 pha. Hình 2-13. Đồ thị từ thông (a) và s.đ.đ (b) của MBA 3 pha nối Y/Y
- 32. biến áp 3 pha 3 trụ (hình 2- 14), vì có mạch từ chung nên từ thông 3 bằng nhau và cùng chiều trong 3 trụ, do đó từ thông phải khép mạch qua không khí hoặc dầu biến áp là các môi trường có từ trở lớn. Chính vì vậy mà 3 không lớn lắm và ta có thể coi s.đ.đ pha là hình sin. Tuy nhiên, cần chú ý là 3 sẽ đập mạch với tần số 3f qua vỏ máy và các bu lông ghép gây ra tổn thất phụ làm giảm của máy biến áp. Ví thế cho nên phương pháp đấu Y/Y đối với máy biến áp 3 pha 3 trụ cũng chỉ nên áp dụng cho các máy biến áp có dung lượng đến 5600 kVA. b. Trường hợp máy biến áp nối /Y Dây quấn sơ cấp đấu nên i03 khép kín trong đó (hình 2-15). Khi đó i0 sẽ có dạng nhọn đầu nên tương tự như máy biến áp 1 pha đã xét, và e đều có dạng hình sin nên có thể áp dụng rộng rãi cách đấu này. c. Trường hợp máy biến áp nối Y/ Hình 2-14. Từ thông điều hòa bậc 3 của máy biến áp 3 pha 3 trụ Hình 2-15. Dòng điện điều hòa bậc 3 trong dây quấn nối /Y khi không tải I03 I03 I03 A B C a b c Hình 2-16. Dòng điện điều hòa bậc 3 trong dây quấn nối Y/ khi không tải
- 33. sơ cấp nối Y (hình 2-16), i03 rất nhỏ có thể bỏ qua nên có dạng vạt đầu giống như trường hợp máy biến áp nối Y/Y. Khi đó từ thông bậc 3 là 3Y sẽ cảm ứng ra trong dây quấn thứ cấp s.đ.đ bậc 3 là E23 chậm sau 3Y một góc 900 . E23 sẽ gây ra dòng điện bậc 3 là I23 trong mạch vòng thứ cấp đấu . Vì điện kháng của dây quấn lớn nên có thể xem I23 chậm so với E23 một góc gần 900 (hình 2-17) I23 sẽ sinh ra từ thông 3 gần như ngược pha với 3Y. Do đó từ thông tổng bậc 3 là 𝟑 ′ = 3Y + 3 gần như bị triệt tiêu. Ảnh hưởng của từ thông bậc 3 không đáng kể nên s.đ.đ pha gần như hình sin. Tóm lại khi máy biến áp làm việc không tải, các cách đấu /Y hay Y/ đều tránh được tác hại của từ thông và s.đ.đ điều hòa bậc 3. Câu hỏi 1. Tại sao lại cần kí hiệu qui ước các đầu dây ra của máy biến áp? 2. Tổ nối dây của máy biến áp là gì? Con số ứng với một tổ nối dây nói lên cái gì? 3. Vẽ sơ đồ dây quấn tương ứng với các tổ nối dây Y/Y-2, 4, 8, 10 và Y/-1, 3, 7, 9. 4. Dòng điện từ hóa của máy biến áp có tác dụng gì? Nó phụ thuộc vào những yếu tố nào? 5. Dòng điện từ hóa của máy biến áp gồm những thành phần nào? Ý nghĩa vật lý của các thành phần đó là gì? Bài tập 1. Hãy xác định tổ nối dây của các máy biến áp trên hình vẽ sau: Hình 2-17. Tác dụng của dòng điện I23 khi dây quấn nối Y/
- 34. ∆/∆ -10; ∆/∆ -4; Y/Y - 4 2. Cho ba MBA có cùng tổ nối dây quấn và tỉ số biến đổi với các số liệu sau : SđmI = 180kVA; SđmII = 240kVA; SđmIII = 320kVA; unI% = 5,4; unII% = 6,0; unIII% = 6,6. Hãy xác định tải của mỗi MBA khi tải chung của các MBA bằng tổng công suất của chúng và tính xem tải tối đa của các MBA để không MBA nào bị quá tải ? Đáp số: SI =198,6kVA; SII = 180,36kVA; SIII = 173,12kVA Smax = 499kVA
- 35. HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MÁY BIẾN ÁP 3.1. PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ĐIỆN TỪ CỦA MÁY BIẾN ÁP 3.1.1. Phương trình cân bằng điện bên dây quấn sơ cấp Khi đặt vào dây quấn sơ cấp điện áp xoay chiều u1 trong dây quấn sinh ra dòng điện i1 và do đó là từ thông chính c móc vòng với cả hai dây quấn sơ và thứ cấp làm cảm ứng ra ở đây các sức điện động e1, e2 có công thức tính ở phần trước. Nếu dây quấn thứ cấp có tải sẽ có dòng điện i2. Các s.t.đ. F1= i1W1 và F2= i2W2 phần lớn tạo ra từ thông chính c, còn phần rất nhỏ tản ra ngoài móc vòng với từng dây quấn và khép mạch ra môi trường phi từ tính tạo ra ở mỗi dây quấn các sức điện động tản et1, et2: dt di L e t t 1 1 1 ; dt di L e t t 2 2 2 Dạng phức: Ėt1 = −jİ1X1; Ėt2 = −jİ2X2; Đối với mạch điện sơ cấp, theo định luật Kirhof 2 ta có: u1 + e1 + et1 = i1R1 hay u1 = - e1 - et1 + i1R1 Chuyển dưới dạng phức ta có 1 1 t1 1 R I E E U và thay 1 1 t1 X I j E ta được phương trình cân bằng điện trong dây quấn sơ cấp: 1 1 1 1 1 1 1 1 Z I E ) jX (R I E U 3.1.2. Phương trình cân bằng điện bên dây quấn thứ cấp Tương tự, với mạch điện thứ cấp theo Kirhof 2 ta có u2 = e2 + et2 - i2R2 Chuyển dưới dạng phức ta có 2 2 t2 2 2 R I E E U và thay 2 2 t2 X I j E ta có phương trình cân bằng điện trong dây quấn thứ cấp: 2 2 2 2 2 2 2 2 2 Z I E R I X I j E U Trong các phương trình trên 1 1 1 jX R Z và 2 2 2 jX R Z là tổng trở của dây quấn sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp. Các thành phần 2 2 1 1 Z I ; Z I là điện áp rơi trên dây quấn sơ và thứ cấp. 3.1.3. Phương trình cân bằng sức từ động Zt u2 u1 i1 c t1 t2 i2 Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý máy biến áp
- 36. từ thông trong máy do s.t.đ. i0W1 sinh ra, còn khi có tải do s.t.đ. i1W1 và i2W2 sinh ra. Vì điện áp nguồn điện đặt vào đầu vào dây quấn sơ cấp là không đổi dù máy làm việc không tải hay có tải, ta có: U1 E1 = 4,44.f.W1.m nên trị số m luôn không đổi, vậy ta có: i0W1 = i1W1 + i2W2. Chuyển dưới dạng số phức İ0W1 = İ1W1 + İ2W2 hoặc 2 1 2 1 0 I W W I I , nếu đặt k I I 2 ' 2 , ta có phương trình cân bằng sức từ động trong máy biến áp: ) I ( I I ' 2 0 1 hay ) F ( F F ' 2 0 1 3.2. MẠCH ĐIỆN THAY THẾ VÀ ĐỒ THỊ VECTƠ CỦA MÁY BIẾN ÁP 3.2.1. Máy biến áp qui đổi Do máy biến áp có hai cuộn dây cách ly nhau và cách điện với mạch từ nên việc xét các quá trình năng lượng sẽ trở nên khó khăn. Để tiện lợi cho việc nghiên cứu, người ta giả thiết hai đầu dây quấn được nối lại với nhau. Muốn vậy cần phải quy đổi các thông số từ dây quấn nọ sang dây quấn kia. Khi nghiên cứu máy biến áp người ta thường qui đổi từ hệ số k≠1 về k=1. Điều đó có nghĩa là ta đã chuyển việc truyền tải năng lượng điện từ dây quấn sơ cấp sang dây quấn thứ cấp bằng con đường từ được thay bằng con đường điện thuần túy với hệ số qui đổi ở đây là hệ số k. - Các đại lượng, thông số và phương trình qui đổi từ dây quấn thứ cấp về dây quấn sơ cấp ký hiệu thêm dấu () được tóm tắt dưới đây: + Sức điện động và điện áp: E' 2 = kE2 = E1; U’ 2 = kU2 = U1 + Dòng điện: I’ 2E’ 2 = I2E2 hay I' 2 = I2.E2/E ' 2 = I2/k + Điện trở, điện kháng, tổng trở: Từ I2 ’2 R2 = I2 2 R2 suy ra R’ 2 = k2 R2 ; tương tự X2 ’ = k2 X2; Z2 ’ = k2 Z2 và W' 2 = kW2= W1 + Các phương trình qui đổi: ) I ( I I Z I E U Z I E U ' 2 0 1 ' 2 ' 2 ' 2 ' 2 1 1 1 1 3.2.2. Mạch điện thay thế của máy biến áp Từ các phương trình trên, ta có mạch điện thay thế của máy biến áp và như vậy đã có được mạch điện thống nhất từ mạch sơ cấp và thứ cấp riêng biệt. Đó là một mạng bốn cực hình T (hình 3-2) có ba nhánh, hai nhánh sơ và thứ cấp biểu thị trở, kháng tương ứng của từng dây quấn, nhánh từ hóa biểu thị hiện tượng tổn hao trong lõi
- 37. liên hệ giữa dây quấn sơ và thứ cấp Mạch điện thay thế đơn giản: Đối với máy biến áp có Zm >> Z1 và Z2 ’ nhiều trường hợp còn xem như Zm = nghĩa là I0 = 0 I1 = -I2 ’ . Khi đó máy biến áp được thay thế bằng một mạch điện đơn giản hơn (hình 3-3). Trong sơ đồ: Rn= R1 + R2 ’ ; Xn= X1 + X2 ’ 3.2.3. Đồ thị vectơ của máy biến áp Dựa vào các phương trình cân bằng sức điện động và s.t.đ. nêu trên và tính chất của tải ta vẽ được đồ thị vectơ của máy biến áp. Ví dụ trong trường hợp tải có tính chất điện cảm (hình 3-4a) và ứng với mạch điện thay thế đơn giản (hình 3-4b). Khi vẽ đặt vectơ m theo chiều dương trục hoành, dòng không tải I0 vượt trước một góc , các sức điện động E1 và E2 ’ = E1 chậm sau góc 900 , vì tải cảm nên dòng I2 ’ chậm sau sức điện động E2 ’ một góc 2 được xác định bởi công thức: ' 2 ' ' 2 ' 2 R R X X arctg t t 3.3. CÁCH XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ CỦA MÁY BIẾN ÁP 3.3.1. Thí nghiệm không tải - Sơ đồ thí nghiệm không tải được biểu diễn trên hình 3-5. U1 -U2 ’ Rn Xn I1= -I2 ’ Zt ’ Hình 3-3. Mạch điện thay thế đơn giản của m.b.a. E1=E2 ’ m - E1 - I0 I1 I1R1 jI1X1 U1 Hình 3-4a. Đồ thị vectơ của máy biến áp với tải R-L 1 2 2 2 Hình 3-4b. Đồ thị vectơ của máy biến áp ứng với mạch điện thay thế đơn giản và với tải R - L I1=-I2 ’ I1Rn jI1Xn U1 -U2 ’ U20 BATN * A X x a P10 U1đm V2 V1 W A1 I10 U10 Hình 3-5. Sơ đồ thí nghiệm không tải
- 38. thí nghiệm Khi đặt điện áp định mức vào dây quấn sơ cấp, thứ cấp hở mạch, các dụng cụ đo cho ta kết quả đo được: U10; I10; P10; U20. 2. Kết quả tính toán - Hệ số biến áp: k = U10 / U20 - Dòng không tải %: I0% = (I10 / I1đm). 100%; thường trị số này 3-10%. - Điện trở không tải: R0 = P10 / I10 2 - Tổng trở không tải Z0 = U10 / I10 - Điện kháng không tải: X0 = 2 0 2 0 R Z - Hệ số công suất không tải: 0 1 0 0 . cos I U P dm ; thường trị số này 0,1-0,3 3. Kết quả nội suy Khi làm thí nghiệm không tải, dòng I0 thường rất nhỏ, còn I2 = 0, nếu bỏ qua tổn hao đồng gần đúng coi tổn hao công suất đo được là tổn hao trong lõi thép (tổn hao sắt từ), và kết quả ta tính được tổng trở mạch từ: - Pst≈ P10 - Z ≈ Z0; R ≈ R0; X ≈ X0. 3.3.2. Thí nghiệm ngắn mạch Sơ đồ thí nghiệm Hình 3-5. Sơ đồ thí nghiệm ngắn mạch Đặc điểm ở chế độ ngắn mạch: - Ngắn mạch thí nghiệm: mạch thứ cấp được nối tắt bằng đồng hồ Ampekế, mạch sơ cấp được đặt vào một điện áp ngắn mạch nhỏ Un = (5-10)% U1đm để xác định các tham số. Quá trình được điều chỉnh qua BATN để dòng điện sơ và thứ cấp đạt định mức. - Ngắn mạch sự cố: là hiện tượng xảy ra khi điện áp sơ cấp vẫn là định mức, khi đó tại điểm ngắn mạch dòng ngắn mạch In = (10 - 20)% Iđm có thể phá hỏng cách điện máy biến áp. 1. Kết quả thí nghiệm Khi điều chỉnh BATN để dòng điện sơ và thứ cấp đạt định mức, khi đó có được các số liệu: U1n; P1n; I1đm; I2đm 2. Kết quả tính toán - Tổng trở ngắn mạch: zn = U1n / I1đm - Điện trở ngắn mạch: rn = P1n / I1đm 2 BATN * A X x a P1n U1đm I2n = I2đm A2 V1 W A1 I1n = I1dm U1n U1n
- 39. ngắn mạch: xn = √zn 2 − rn 2 3. Kết quả nội suy - Do điện áp khi thí nghiệm nhỏ nên tổn hao sắt từ nhỏ, nếu bỏ qua có thể coi tổn hao công suất đo được là tổn hao đồng: Pđ≈ P1n - Gần đúng cũng xác định được tổng trở dây quấn: zđ ≈ zn; rđ ≈ rn; xđ ≈ xn Ví dụ 1 Cho một máy biến áp ba pha năm trụ có các thông số như sau: Sđm = 250kVA; U1/U2 =10500/400; I1/I2 = 13,8/360,8; Po = 0,56kW; i0 =12%; un = 4%; Pn =3,05kW; f = 50Hz; Y/-11. Hãy tính: 1) Các tham số không tải: r0, x0 và z0 2) Các tham số ngắn mạch rn, xn, zn và các thành phần của điện áp ngắn mạch. Giải 1) Tính điện áp pha sơ cấp: U1f = U1 √3 = 10500 √3 = 6062V Dòng điện pha không tải sơ cấp: I0f = i0. I1f = 0,12.13,8 = 1,66A Tổng trở không tải: z0 = U1f I0f = 6062 1,66 = 3651,8 r0 = P0 3I0f 2 = 560 3.1,662 = 67,7 x0 = √z0 2 − r0 2 = √3651,82−67,72 = 3651,17 1) Tính điện áp pha ngắn mạch sơ cấp: U1n = U1f. 𝑢𝑛 = 6062.0,04 = 242,48V Tổng trở ngắn mạch: zn = U1n I1f = 242,48 13,8 =17,57 rn = Pn 3I1f 2 = 3050 3.13,82 = 5,34 xn = √𝑧𝑛 2 − 𝑟𝑛 2 = √17,572−5,342 = 16,74 Các thành phần của điện áp ngắn mạch: unr% = I1f.rn U1f = 13,8.5,34 6062 . 100 = 1,2% unx% = I1f.xn U1f = 13,8.16,74 6062 . 100 = 3,81% Ví dụ 2 Cho MBA 3 pha có số liệu như sau:
- 40. kVA; U1đm /U2đm = 22/0,4 kV; Po = 400 W; Pn = 2200 W; io% = 9%; un% = 4%; dây quấn nối Y/Y- 12 Tìm: - Các dòng điện I1đm, I2đm, I0 - Tính rn và xn - Hiệu suất cực đại khi MBA làm việc với hệ số cos2 = 0,85, tải điện cảm - U2% và U2 khi kt = 0,7; cos2 = 0,8, tải điện cảm Giải - Các dòng điện định mức: 𝑰𝟏đ𝒎 = 𝑺đ𝒎 √𝟑𝑼𝟏đ𝒎 = 𝟏𝟔𝟎 √𝟑𝟐𝟐 = 𝟒, 𝟐𝑨 𝑰𝟐đ𝒎 = 𝑺đ𝒎 √𝟑𝑼𝟐đ𝒎 = 𝟏𝟔𝟎 √𝟑𝟎, 𝟒 = 𝟐𝟑𝟎, 𝟗𝑨 𝑰𝟎 = 𝒊𝟎%. 𝑰𝟏đ𝒎 = 𝟗. 𝟒, 𝟐 𝟏𝟎𝟎 = 𝟎, 𝟑𝟖𝑨 - Điện trở ngắn mạch: rn = 𝐏𝐧 𝟑.𝐈𝟏đ𝐦 𝟐 = 𝟐𝟐𝟎𝟎 𝟑.𝟒,𝟕𝟐 = 33,2 𝑼𝒏 = 𝒖𝒏%. 𝑼𝟏đ𝒎= 4.22000/100 =880V zn = 𝑼𝐧𝐟 𝐈𝟏đ𝐦 𝟐 = 𝑼𝐧 √𝟑.𝐈𝟏đ𝐦 𝟐 = 𝟖𝟖𝟎 √𝟑.𝟒,𝟐 = 121 𝒙𝒏 = √𝒛𝒏 𝟐 − 𝒓𝒏 𝟐 = √𝟏𝟐𝟏𝟐 − 𝟑𝟑, 𝟐𝟐 = 116,36 - Tính hiệu suất cực đại khi cos = 0,85: 𝒌𝒕 = √ 𝐏𝟎 𝐏𝐧 = √ 𝟒𝟒𝟎 𝟐𝟐𝟎𝟎 = 0,447 max = 𝐤𝐭𝐒đ𝐦𝐜𝐨𝐬𝛗𝐭 𝐤𝐭𝐒đ𝐦𝐜𝐨𝐬𝛗𝐭+𝐤𝐭 𝟐𝐏𝐧+𝐏𝟎 = = 𝟎,𝟒𝟒𝟕.𝟏𝟔𝟎.𝟎,𝟖𝟓 𝟎,𝟒𝟒𝟕.𝟏𝟔𝟎.𝟎,𝟖𝟓+𝟎,𝟒𝟒𝟕𝟐.𝟐,𝟐+𝟎,𝟒𝟒 = 0,986 - Tính U2 khi kt = 0,7 và cos = 0,8: 𝐔𝟐% = 𝒌𝒕(𝒖𝒏𝒓%𝒄𝒐𝒔𝝋𝒕 + 𝒖𝒏𝒙%𝒔𝒊𝒏𝝋𝒕)= = 0,7( 𝐫𝐧𝐈𝟏đ𝐦√𝟑 𝐔𝟏đ𝐦 . 𝟎, 𝟖 + 𝐱𝐧𝐈𝟏đ𝐦√𝟑 𝐔𝟏đ𝐦 . 𝟎, 𝟔).100 = = 0,7 ( 𝟑𝟑,𝟐.𝟒,𝟐√𝟑 𝟐𝟐𝟎𝟎𝟎 . 𝟎, 𝟖 + 𝟏𝟏𝟔,𝟑𝟔.𝟒,𝟐√𝟑 𝟐𝟐𝟎𝟎𝟎 . 𝟎, 𝟔) .100 = 2,078% 𝑼𝟐= 𝑼𝟐đ𝒎(𝟏 − 𝐔𝟐%) = 𝟒𝟎𝟎 (𝟏 − 𝟐, 𝟎𝟕𝟖%) = 392V
- 41. sao trong máy biến áp, khi tăng dòng điện thứ cấp thì dòng điện sơ cấp cũng tăng lên? Khi đó từ thông trong máy biến áp có thay đổi không? 2. Muốn xác định các tham số từ hóa của máy biến áp ta phải làm thế nào? Hãy giải thích bản chất của dòng điện không tải và tổn thất không tải? Tại sao dòng điện không tải lại tỉ lệ nghịch với dung lượng của máy biến áp? 3. Làm thế nào để xác định được các tham số của máy biến áp? Bản chất của tổn thất ngắn mạch là gì? Tại sao khi thí nghiệm ngắn mạch lại cần phải hạ thấp điện áp xuống? Nếu không thì sao? Hạ điện áp xuống khoảng bao nhiêu thì vừa? Bài tập 1. Cho một máy biến áp ba pha năm trụ có các thông số như sau: Sđm = 100kVA; U1/U2 =22000/400; I1/I2 = 2,62/144,34; Po = 0,325kW; i0 =1,8%; un = 4%; Pn =1,7kW; f = 50Hz; /Y0-11. Hãy tính: a) Các tham số không tải: r0, x0 và z0 b) Các tham số ngắn mạch rn, xn, zn và các thành phần của điện áp ngắn mạch. Đáp số: a) r0 = 48627; x0 = 264674; z0 = 269104 b) rn = 82,55; xn = 175,47; zn 193,92; unr = 1,7%; unx = 3,62% 2. Cho MBA 3 pha có số liệu như sau: Sđm = 180 kVA; U1đm /U2đm = 22/0,4 kV; Po = 470 W; Pn = 2400 W; io% = 8%; un% = 4,5%; dây quấn nối Y/Y- 12 Tìm: - Các dòng điện I1đm, I2đm, I0 - Tính rn và xn - U2% và hiệu suất cực đại khi MBA làm việc với hệ số cos2 = 0,8, tải điện cảm - Điện áp U2 khi kt = 0,75; cosφ = 0,8 Đáp số: - I1đm = 4,72A; I2đm = 259,8A;I0 = 0,378 A - rn = 35,91 ; xn = 115,65 - U2% = 2,7%; = 0,985; - U2 = 398 V 3. Một máy biến áp 100kVA, 4800/480V có 6V/vòng dây và tổng trở tương đương quy đổi về cao áp là 8,4871o . Máy biến áp làm nhiệm vụ hạ điện áp cung cấp công suất 50kVA tại hệ số công suất cos = 1,0 điện áp 480V. Xác định điện áp khi không tải. Tính độ thay đổi điện áp khi tải có cos = 0,78 chậm sau. Đáp số: U̇ 0 = 482,96∠0,996∘ V; U = 1,46%
- 42. áp 3 pha Sđm = 160kVA; U1đm = 15kV; U2đm = 400V. P0 = 460W; Pn = 2350W; un% = 4%; Y/Y - 12. Cho biết r1 ≈ r’ 2; x1 ≈ x’ 2 . a- Tính I1đm, rn, xn, r1, r2, x1, x2. b- Tính η khi kt = 0,75; cost = 0,8. Đáp số: I1đm = 6,16A; rn = 20,64; xn = 52,32; r1 = 10,32; x1 = 26,16; r2 = 7,3.10-3 ; x2 = 18,6.10-3 ; = 0,98.
- 43. ÁP LÀM VIỆC VỚI TẢI XÁC LẬP ĐỐI XỨNG 4.1. TỔN HAO VÀ GIẢN ĐỒ NĂNG LƯỢNG CỦA MÁY BIẾN ÁP 4.1.1. Các dạng tổn hao Khi máy biến áp làm việc có các dạng tổn hao sau đây: + Tổn hao trong lõi thép của máy biến áp do dòng điện xoáy và hiện tượng từ trễ gây nên, nó là không đổi khi tải biến đổi gần đúng được xác định qua thí nghiệm không tải (Pst P1o) + Tổn hao trên điện trở dây quấn sơ và thứ cấp của máy biến áp gọi là tổn hao đồng, nó thay đổi khi tải biến đổi gần đúng được xác định qua thí nghiệm ngắn mạch (Pđ P1n). Trước hết ta phân tích về mặt truyền tải năng lượng công suất tác dụng: Nếu gọi P1= U1I1 cos1 là công suất đưa vào một pha của máy biến áp sẽ có sự tiêu hao một phần trên điện trở của dây quấn sơ cấp là Pd1 = R1I1 2 và trong lõi thép là Pst = RmI0 2 . Phần còn lại là công suất điện từ chuyển sang phía dây quấn thứ cấp: Pdt = P1 − (Pd1 + Pst) = E2 ′ I2 ′ cosφ2 Khi dây quấn thứ cấp có tải sẽ có một phần tiêu hao trên điện trở của dây quấn là Pd2 = R2I2 2 để cuối cùng đưa ra một công suất ở đầu ra cho tải: P2 = Pdt − Pd2 = U2I2cosφ2 Việc truyền tải năng lượng công suất phản kháng tương tự như trên, chỉ khác là tuỳ theo tính chất của tải mà đường truyền tải có hai chiều như hình 4-1. 4.1.2. Giản đồ năng lượng Với phân tích nêu trên ta vẽ được giản đồ năng lượng cho trường hợp P và Q như đã chỉ ra trên hình 4-1. 4.2. CÁCH ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP TRONG MÁY BIẾN ÁP 4.2.1. Độ thay đổi điện áp Trong quá trình vận hành máy biến áp tuỳ theo sự thay đổi của tải và tính chất tải là điện cảm hoặc điện dung mà điện áp đầu ra thứ cấp sẽ có sự thay đổi từ U20 đến U2. Với điều kiện điện áp đầu vào dây quấn sơ cấp là U1đm thì hiệu số U=U20-U2 được gọi là độ dao động điện áp, trong hệ đơn vị tương đối được tính bởi công thức sau: P1 Pđt P2 Pđ1 Pđ2 Pst Q1 Q2 Qđ1 Qđ2 Qst Tính cảm Tính dung Hình 4-1. Giản đồ năng lượng của máy biến áp
- 44. định giá trị nói trên ta dựa vào đồ thị vectơ (Hình 4-2), trước hết ta giả thiết máy biến áp làm việc với một tải xác định với hệ số tải dm I I 2 2 và hệ số cos2. Ta có các cạnh của tam giác điện kháng ABC: BC= I2 ′ rn U1đm = I2đm ′ rn U1đm I2 ′ I2đm ′ = Unr ∗ β AB= I2 ′ xn U1đm = I2đm ′ xn U1đm I2 ′ I2đm ′ = Unx ∗ β Ta vẽ thêm doạn AP⊥ 𝑈2 ′ và đặt AP = n, CP = m ta có: m n m n U 2 1 1 2 2 * ' 2 2 1 2 * ' 2 * n m U U . Căn cứ đồ thị vectơ, ta có: m = Ca + aP = (unr ∗ cosφ2 + unx ∗ sinφ2) n = Ab + bP = (unr ∗ cosφ2 + unx ∗ sinφ2) Suy ra: U∗ ≅ (unr ∗ cosφ2 + unx ∗ sinφ2) + 2 (unx ∗ cosφ2 + unr ∗ sinφ2) 2 ≅ (unr ∗ cosφ2 + unx ∗ sinφ2) Nhân hai vế phương trình trên với 100 tức biểu thị U theo phần trăm của U1đm ta có kết quả: U%=(𝑢𝑛𝑟%cos𝜑2 + 𝑢𝑛𝑥%sin𝜑2) Đã biết 𝑢𝑛𝑟% và 𝑢𝑛𝑥% được xác định theo cấu tạo của máy biến áp nên U* phụ thuộc vào hệ số tải và tính chất của tải. 4.2.2. Cách điều chỉnh điện áp Phương pháp cơ bản để điều chỉnh sao cho điện áp U2 không đổi khi tải thay đổi là thay đổi tỷ số biến áp K nghĩa là thay đổi số vòng dây của dây quấn sơ hoặc thứ cấp. Thường thì áp dụng cách thay đổi số vòng dây của dây quấn phía cao áp để dòng nhỏ hơn do đó thiết bị đổi nối cũng gọn hơn. Khi chế tạo bộ dây quấn máy biến áp ở giữa hoặc cuối dây quấn cao áp ta đưa ra một số đầu ứng với một số vòng dây khác nhau. Nếu đưa ra ở cuối thì việc cách điện được dễ dàng, còn ở giữa từ trường tản sẽ đều và lực điện từ tác động lên dây quấn sẽ đối xứng hơn. Máy biến áp có thiết bị để có thể điều chỉnh điện áp khi máy đang mang tải gọi là máy biến áp điều chỉnh điện áp dưới tải hay còn gọi là máy biến áp điều áp dưới tải. Máy biến áp có thiết bị điều chỉnh không dưới tải gọi là máy biến áp không điều chỉnh điện áp dưới tải hay còn gọi là máy biến áp thường. Hình 4-3 trình unr* U*’ 2 b A B C P a 2 O U1*=1 Hình 4-2. Xác định U của m.b.a I’ 2* unx*
- 45. các cuộn dây của loại máy biến áp thường. Chúng có 5 đầu ra để điều chỉnh. Muốn điều chỉnh điện áp phải điều chỉnh khi máy biến áp đã được cắt ra khỏi mạng điện. Đầu ra chính của cuộn dây điện áp cao là điểm 0 và nó có điện áp bằng điện áp danh định của cuộn cao áp Ucdđ. Bốn đầu phụ dùng để điều chỉnh điện áp. Mỗi đầu thay đổi được 2,5% Ucdđ. Như vậy cần chọn được đầu phân áp thích hợp cho cả trường hợp chế độ phụ tải lớn nhất lẫn chế độ phụ tải nhỏ nhất trong ngày. Đối với máy biến áp điều áp dưới tải, ta có thể điều chỉnh điện áp ngay cả khi máy đang mang tải đồng thời phạm vi điều chỉnh của chúng tương đối rộng. Ví dụ, máy biến áp hai cuộn dây có điện áp Ucdđ = 115kV có phạm vi điều chỉnh 9 x 1,78%. Sơ đồ các cuộn dây của máy biến áp điều áp dưới tải cho trên hình 4-4. Cuộn dây cao áp của máy biến áp điều áp dưới tải gồm phần A là phần không điều chỉnh còn phần B là phần có điều chỉnh. Trong phần B có các nấc điều chỉnh cố định. Ví dụ có các nấc 1, 2, 3, 4. Các nấc 1, 2 ứng với các vòng dây nối cùng chiều với các vòng dây của cuộn dây chính. Khi chuyển đến các nấc 1 hoặc 2, tỉ số biến áp của máy biến áp sẽ tăng. Các nấc 3, 4 ứng với các vòng dây nối ngược chiều nên chúng làm giảm tỉ số biến áp. Trong phần điều chỉnh của cuộn dây có thiết bị chuyển mạch. Thiết bị này gồm kháng điện P, các tiếp điểm động t1, t2 và các công tắc k1, k2. Điểm giữa của cuộn kháng nối với phần không điều chỉnh A của cuộn dây. Nhờ có thiết bị chuyển mạch này nên có thể điều chỉnh điện áp khi máy biến áp đang vận hành, do đó chất lượng điện áp của các hộ tiêu thụ được đảm bảo hơn trong suốt thời gian vận hành. Để điều chỉnh điện áp trong máy biến áp điều áp dưới tải người ta có thể tiến hành tự động hoặc do các nhân viên trực thực hiện. 4.3. HIỆU SUẤT CỦA MÁY BIẾN ÁP Hiệu suất của máy biến áp được tính như sau: = P2 P1 = P2 P2 + Pst + Pd Hình 4-3. Các cuộn dây của m.b.a. không điều chỉnh dưới tải Hình 4-4. Sơ đồ các cuộn dây của m.b.a. điều áp dưới tải
- 46. không tải đã có 10 P pst . Đặt hệ số tải = 𝐈𝟐 𝐈𝟐đ𝐦 suy ra dm P P 2 2 và Pd = β2 P1n thay thế vào ta có: = βP2đm βP2đm + β2P1n + P10 Để hiệu suất cực đại ta tính 𝑑 𝑑 = 0 và được = √ 𝑃10 𝑃1𝑛 . Hiệu suất của máy biến áp sẽ đạt cực đại ở một tải nhất định ứng với tổn hao không đổi bằng tổn hao biến đổi tức là tổn hao sắt từ bằng tổn hao đồng (P10=P1n hay =1). Ta vẽ được đường cong hiệu suất như hình 4- 5. Để vận hành kinh tế máy biến áp người ta cho máy biến áp làm việc ở hệ số tải =0,50,7 nghĩa là phải thiết kế để hiệu suất đạt cực đại trong giới hạn đó của , điều này sẽ đạt được khi cấu tạo của máy biến áp đảm bảo 𝑷𝟏𝟎 𝑷𝟏𝒏 = 0,25÷0,5. 4.4. MÁY BIẾN ÁP LÀM VIỆC SONG SONG Để đảm bảo các điều kiện kinh tế-kỹ thuật, trong một số trường hợp người ta ghép song song các máy biến áp (hình 4-6). Muốn ghép hai máy biến cùng làm việc song song cần có ba điều kiện sau: + Có cùng tổ nối dây + Có cùng hệ số biến áp: kI = kII =... tức là: U1I =U1II =...; U2I = U2II =... + Có cùng trị số điện áp ngắn mạch UN% 4.4.1. Điều kiện cùng tổ nối dây Chẳng hạn có 2 máy biến áp Y/Y-12 và Y/ -11 được ghép vào làm việc song song. Lúc này điện áp thứ cấp 2 máy lệch nhau một góc 300 (như ở hình 4-8). Khi đó trong mạch vòng thứ cấp của hai máy xuất hiện một sức điện động và do đó có dòng điện cân bằng: NI NII I NII I II NII NI CB Z Z E Z Z E E Z Z E I 0 2 2 2 2 15 sin 2 Ở hệ đơn vị tương đối nếu lấy ZNI * =ZNII * =0,05 và E2 * =1 (đơn vị) thì sẽ có: ICB=5,18Iđm, với trị số này gây phát nóng dây dẫn quá nhiệt độ cho phép dẫn đến phá hỏng cách điện bộ dây quấn của m.b.a. max = √ 𝑷𝟏𝟎 𝑷𝟏𝒏 Hình 4-5. Đường cong hiệu suất của m.b.a.
- 47. cùng tỷ số biến áp K Giả sử có hai máy biến áp có KI < KII suy ra U2I > U2II sẽ xuất hiện U = U2I - U2II và sinh ra dòng điện cân bằng chạy trong mạch vòng thứ cấp của 2 máy: một máy thì sinh ra còn một máy tiêu thụ dòng đó và khi không tải điện áp thứ cấp 2 máy đạt tới trị số cân bằng U2 (xem hình 4-8). Khi có tải, giả sử dòng tải của hai máy ItI = ItII lúc này có thể xác định được dòng thứ cấp hai máy (như hình 4-8). Kết quả I2I > I2II suy ra hai máy biến áp có tải không đều, máy có hệ số biến áp nhỏ mang tải lớn và ngược lại, máy một quá tải còn máy hai non tải. Tuy nhiên khi tải mang tính cảm thì khả năng quá tải của cả 2 máy đều có thể xảy ra. 4.4.3. Điều kiện cùng trị số điện áp ngắn mạch Giả sử có ba máy biến áp làm việc song song nhưng 𝑢𝑛1% + 𝑢𝑛2%+𝑢𝑛3%. Mạch điện thay thế của ba máy như hình 4-9. U1 U2 A X a x MBAI MBAII E2II E2I ICBI ICBII E E2II E2I ICBI ICBII 300 Hình 4-6. Sơ đồ ghép song song máy biến áp một pha Hình 4-7. Sơ đồ điện áp và dòng điện của các m.b.a có tổ nối dây khác nhau làm việc song song Hình 4-8.
- 48. đương: Z = 1 1 𝑍𝑛𝐼 + 1 𝑍𝑛𝐼𝐼 + 1 𝑍𝑛𝐼𝐼𝐼 = 1 ∑ 1 𝑍𝑛𝑖 𝑛 𝑖=1 Điện áp rơi trên mạch điện: U̇ = U̇ 1 − U̇ 2 ′ = ZI Với İ = İ1 = İ2 ′ là dòng tổng ba máy, suy ra dòng tải mỗi máy: İ2I = ZI ZnI = 1 ZnI ∑ 1 Zni n i=1 İ2II = ZI ZnII = 1 ZnII ∑ 1 Zni n i=1 İ2III = ZI ZnIII = 1 ZnIII ∑ 1 Zni n i=1 Trên thực tế góc N của các tam giác điện kháng khác nhau không nhiều ( NI NIII NII ) nên dòng điện tải xem như trùng pha do đó khi tính toán có thể thay số phức bằng môđun của chúng dm dm N N I U u z và ta có: n i Ni dmi dmI NI I u I I u I 1 ' 2 1 Nhân hai vế với dmI dm dm dmI dm I U U S U 1 1 1 ta được: NIII NII NI III II I u u u 1 : 1 : 1 : : n i ni dmi NI dmI I I u S u S S S 1 n i ni dmi NII dmII II II u S u S S S 1 n i ni dmi NIII dmIII III III u S u S S S 1 U1 - U2 ’ - I2I ’ - I2II ’ - I2III ’ I1 - I2 ’ ZNI ZNII U Hình 4-9. Mạch điện tương đương của ba máy biến áp làm việc song song znI znII znIII
- 49. số tải của các máy khi làm việc song song tỉ lệ ngược với trị số UN%, máy nào có trị số này nhỏ phải mang tải lớn và ngược lại. Thường theo quy định sự sai khác về UN% không quá 10% và tỉ lệ dung lượng máy là 3:1. Ví dụ Cho MBA 3 pha có số liệu như sau: Sđm = 500 kVA; U1đm /U2đm = 22/0,4 kV; Po = 900 W; Pn = 3600 W; io% = 2; un% = 4; dây quấn nối /Y- 11 Tìm: - Các thông số trên sơ đồ thay thế - U% và hiệu suất khi MBA làm việc với = 0,8; hệ số cos2 = 0,8 tải điện cảm - Điện áp U2 khi tải định mức Giải 1. Các thông số trên sơ đồ thay thế Rn = Pnf I1đmf 2 I1đmf = I1đm √3 (vì dây quấn sơ cấp nối ). I1đm = Sđm √3U1đm = 500.103 √3.22.103 = 13,12A I1đmf = 13,12 √3 = 7,58A Rn = 3600 3.7,582 = 20,9 zn = U1nf I1đmf = 880 7,58 =116 𝑋𝑛 = √𝑧𝑛 2 − 𝑅𝑛 2 = √1162 − 20,92 = 114 R1 ≈ R2 ′ = Rn 2 = 20,9 2 = 10,45; R2 = R2 ′ kf 2 X1 ≈ X2 ′ = Xn 2 = 114 2 = 57; X2 = X2 ′ kf 2 𝑘𝑓= 𝑈1𝑓 𝑈2𝑓 = 22 0,4 √3 = 95,2; R0 = P0f I0f 2 trong đó I0f = i0% 100 . I1đmf = 2 100 7,58= 0,152A Như vậy: 𝑅0 = 900 3.0,1522 = 12.985 và 𝑧0 = 𝑈10𝑓 𝐼0𝑓 = 22.103 0,152 = 144.737
- 50. = √𝑧0 2 − 𝑅0 2 = √1447372 − 129852 = 144.153 Thông số từ hóa: 𝑅𝑡ℎ ≈ 𝑅0 = 12.985; 𝑋𝑡ℎ ≈ 𝑋0 = 144.153 cos0 = P0 √3U1đmI0 = R0 z0 = 12.985 144.737 = 0,09 2. T×m U% vµ hiÖu suÊt U%= (unr%cos2+unx%sin2) cos2 = 0,8 suy ra sin2 = 0,6 U% = 0,8(0,72.0,8+3,93.0,6) = 2,35% Hiệu suất của máy biến áp được tính như sau: = 𝜷𝑺đ𝒎𝒄𝒐𝒔𝝋𝟐 𝜷𝑺đ𝒎𝒄𝒐𝒔𝝋𝟐+𝜷𝟐𝑷𝒏+𝑷𝟎 = 𝟎,𝟖.𝟓𝟎𝟎.𝟎,𝟖 𝟎,𝟖.𝟓𝟎𝟎.𝟎,𝟖+𝟎,𝟖𝟐𝟑,𝟔+𝟎,𝟗 ≈ 0,99 3. Tìm U2 U2 = (1 − U% 100 ) U2đm=(1 − 2,34 0,8.100 ) 0,4 =0,388kV Câu hỏi 1. Trong máy biến áp có các loại tổn thất công suất nào? Chúng được xác định thông qua các thí nghiệm như thế nào? 2. Muốn giữ điện áp ở đầu ra của máy biến áp không đổi khi tải thay đổi ta làm thế nào? 3. Hãy phân biệt máy biến áp thường và máy biến áp có điều áp dưới tải? 4. Điều kiện để hai máy biến áp làm việc sông song là gì? Bài tập 1. Một máy biến áp ba pha nối Y/Y có các số liệu sau: Sđm = 20kVA; U1/U2 = 6/0,4 kV, Pn = 0,6 kW; un% = 5,5. Tính: a) Un (V), Unr (V), Unx (V) b) zn, rn, xn c) u% lúc hệ số tải 0,25; 0,5; 0,75; 1 và hệ số công suất cos = 0,8 (tải có tính điện cảm) d) Biết P0 = 0,18 kW, tính hiệu suất của máy ở các tải nói trên. Đáp số: a) Un = 329V, Unr = 180 V, Unx = 275 V b) zn = 99 , rn = 54,3 , xn = 83 c) u% = 1,29%; 2,58%; 3,87%; 5,16%
- 51. 94,84%; 96,04%; 95,86; 95,35% 2. Một máy biến áp ba pha có tỷ số vòng dây pha W1/W2 = 3. Hãy xác định tỷ số điện áp dây khi máy biến áp đấu: a) Y/Y; b) /; c) Y/; d) /Y? Đáp số a) kd = 3; b) kd = 3; c) kd = 3√𝟑; 𝒅) kd = 3√𝟑 3. Một MBA 3 pha có tổ nối dây Y/Y, 630 kVA, 6000/400 V có dòng điện không tải io%= 1,4%; điện áp ngắn mạch un% = 4,5%; tổn hao không tải Po = 1150 W; tổn hao ngắn mạch Pn = 6040 W. a. Tìm dòng điện định mức, dòng không tải, hệ số công suất coso. b. Tính các thông số của mạch điện thay thế chính xác của MBA c. Xác định hệ số tải để hiệu suất cực đại. d. Tính điện áp thứ cấp lúc không tải và hiệu suất khi hệ số tải bằng 0,5 và cos2 = 0,8 (R-L). Đáp số: a. Dòng điện định mức của máy biến áp: I1đm = 60,62 A; I2đm = 909,33 A; Dòng điện không tải: I0 = 0,8487 A Hệ số công suất khi không tải: 𝒄𝒐𝒔𝟎 = 0,1304 b. Thông số của mạch điện thay thế: Un = 155,88 V; Rn = 0,55 ; zn = 2,57 ; Xn = 2,51 ; RFe = 31304,3 ; IFe = 0,1107 A; IM = 0,85 A; XM = 4116,8 . c. Hệ số tải tương ứng với công suất cực đại: kmax =0,4363 d. Điện áp thứ cấp lúc không tải: E2 = 406,85 V Hiệu suất khi hệ số tải bằng 0,5 và cos2 = 0,8 (R-L): = 0,9896.
- 52. ÁP LÀM VIỆC VỚI TẢI KHÔNG ĐỐI XỨNG 5.1. KHÁI NIỆM CHUNG Máy biến áp làm việc không đối xứng khi tải phân phối không đều cho ba pha, Ví dụ: một pha cung cấp cho lò điện do đó tải nặng hơn hai pha kia hoặc khi xảy ra ngắn mạch không đối xứng (ngắn mạch một pha, hai pha…). Dòng điện không bằng nhau ở các pha gây ảnh hưởng xấu đến tình trạng làm việc bình thường của máy biến áp như điện áp dây và pha sẽ không đối xứng, tổn hao phụ trong dây quấn và lõi thép tăng lên, độ chênh lệch nhiệt của máy vượt quá quy định… Để nghiên cứu tình trạng làm việc không đối xứng của máy biến áp, ta dùng phương pháp các thành phần đối xứng. Hệ thống dòng điện không đối xứng İa, İb, İc được phân tích thành ba hệ thống dòng điện đối xứng: thứ tự thuận İa1, İb1, İc1; thứ tự ngược İa2, İb2, İc2và thứ tự không İa0, İb0, İc0. Quan hệ giữa chúng như sau: İa 1 1 1 İa0 İb = 1 a2 a İa1 İc 1 a a2 İa2 và İa0 1 1 1 İa İa1 = 1 3 1 a a2 İb İa2 1 a2 a İc trong đó: a = 𝑒𝑗1200 , 𝑎2 = 𝑒𝑗2400 và 1+ a + 𝑎2 = 0 Khi tải của máy biến áp không đối xứng, bao giờ ta cũng có thể phân tích thành các thành phần đối xứng thứ tự thuận và thứ tự ngược. Riêng thành phần đối xứng thứ tự không (5-1) (5-2)
- 53. do có trị số bằng nhau và trùng pha về thời gian nên chỉ tồn tại khi dây quấn nối Y0 hoặc . Phương pháp các thành phần đối xứng dựa trên cơ sở của nguyên lý xếp chồng nên để ứng dụng được nguyên lý đó, ta cần giả thiết rằng mạch từ của máy biến áp không bão hòa ( = const). Ngoài ra khi phân tích ta xem như đã quy đổi các đại lượng thứ cấp về phía sơ cấp và để đơn giản bỏ qua dấu phẩy. 5.2. MẠCH ĐIỆN THAY THẾ VÀ TỔNG TRỞ CỦA MÁY BIẾN ÁP ĐỐI VỚI CÁC THÀNH PHẦN ĐỐI XỨNG Thành phần dòng điện thứ tự thuận chính là các dòng điện đối xứng mà mạch điện thay thế và các tham số của máy biến áp đối với các dòng điện này ta đã xét ở chương 3. Các dòng điện thứ tự ngược trong máy biến áp cũng có tác dụng hoàn toàn giống như các dòng điện thứ tự thuận bởi vì nếu đem tráo đổi hai trong ba pha phía sơ cấp (Ví dụ B và C) và phía thứ cấp (Ví dụ b và c) thì hiện tượng trong máy biến áp không có gì thay đổi. Cho nên mạch điện thay thế và tham số của máy biến áp đối với hệ thống dòng điện thứ tự ngược không có gì khác so với hệ thống dòng điện thứ tự thuận. Ta hãy xét những trường hợp có dòng điện thứ tự không, khi máy biến áp có nối dây quấn: Yo/Yo, Yo/ và Y/Yo như ở hình 5-1. Khi máy biến áp nối Yo/Yo hoặc Yo/, dòng điện thứ tự không tồn tại cả trong dây quấn sơ cấp và dây quấn thứ cấp, nên dạng mạch điện thay thế đối với thành phần đối xứng thứ tự không không có gì khác với dạng mạch điện thay thế của thành phần đối xứng thứ tự thuận (hình 5-1a và b). Chú ý rằng khi máy biến áp nối Yo/ thì phía thứ cấp của mạch điện thay thế bị nối tắt vì ở trong trường hợp dây quấn thứ cấp nối hình dòng điện thứ tự không chạy ra mạch ngoài. Nếu máy biến áp nối Y/Yo thì vì phía nối Y không có dây trung tính, dòng điện thứ tự không không tồn tại, nên phía đó được xem như để hở mạch (hình 5-1c). Trong các mạch điện thay thế của máy biến áp ứng với thành phần đối xứng thứ tự
- 54. ở hình 5-1, các tổng trở Z1 = r1 + jx1 và Z2 = r2 + jx2 không có gì khác với các tổng trở tương ứng của thành phần đối xứng thứ tự thuận và ngược. Tổng trở từ hóa của thành phần đối xứng thứ tự không Zmo có trị số phụ thuộc vào cấu tạo của mạch từ. Nếu là tổ máy biến áp ba pha thì Zmo = Zm. Nếu là máy biến áp ba pha ba trụ thì vì to khép mạch qua dầu và vách thùng dầu nên Zmo nhỏ hơn. Cũng như đối với trường hợp thành phần đối xứng thứ tự thuận, s.đ.đ thứ tự không Eto do từ thông to sinh ra có thể được biểu thị như sau: Ėt0= -Zmoİmo (5-3) trong đó İmo là dòng điện từ hóa thứ tự không. Hình 5-1. Các mạch điện thay thế máy biến áp đối với thành phần thứ tự không
- 55. cũng trình bày các mạch điện thay thế đơn giản hóa. Ở các trường hợp Yo/Yo,Yo/, dòng điện thứ tự không tồn tại ở cả hai phía sơ và thứ cấp và gần cân bằng nhau. (İAO ≈ − İ𝑎𝑜), nên dòng điện từ hóa thứ tự không İmo cần thiết để sinh ra to rất nhỏ. Trong những trường hợp này có thể bỏ qua nhánh từ hóa và có Zn = Z1 + Z2. Từ những mạch điện thay thế ở hình 5-1, ta thấy rằng tổng trở thứ tự không của máy biến áp Zto, tức là tổng trở có được khi đo ở một phía với điều kiện dây quấn phía kia nối ngắn mạch, có trị số giới hạn giữa tổng trở ngắn mạch Zn và tổng trở không tải Zo. Trị số Zto có thể xác định được bằng thí nghiệm theo sơ đồ nối dây ở hình 5-2. Với sơ đồ đó ta có Ia= Ib =Ic=Ito. Nếu phía thứ cấp không có dòng điện thứ tự không thì cầu dao T để mở, ngược lại nếu có dòng điện thứ tự không thì T sẽ đóng lại. Theo số liệu U, I và P đo được ta có: zto = U 3I (5-4) rto= P 3I2 (5-5) xto = √zto 2 − rto 2 (5-6) 5.3. TẢI KHÔNG ĐỐI XỨNG CỦA MÁY BIẾN ÁP 5.3.1. Khi có dòng điện thứ tự không a) Trường hợp dây quấn nối Y/Yo Với tổ nối dây này khi tải không đối xứng ta có: İA + İB + İC = 0; (5-7) İa + İb+ İc = İd; (5-8) Phân tích các dòng điện pha sơ cấp và thứ cấp thành các thành phần đối xứng ta thấy rằng, các dòng điện thứ tự thuận và ngược sơ cấp và thứ cấp cân bằng nhau. Các dòng điện từ hóa thứ tự thuận và ngược İm1, İm2 của các pha sẽ sinh ra các s.đ.đ ĖA, ĖB, ĖC. Riêng dòng điện Hình 5-2. Sơ đồ nối dây để xác định tổng trở thứ tự không của máy biến áp
- 56. İao = İbo = İ𝑑 3 tồn tại ở phía thứ cấp không được cân bằng İAo = İBo = İCo = 0 nên sẽ sinh ra to và s.đ.đ thứ tự không Ėmo tương đối lớn. Như vậy các phương trình điện áp phía sơ cấp sẽ như sau: U̇ A = İAZ1 - ĖA - Ėmo U̇ B = İBZ1 - ĖB - Ėmo (5-9) U̇ C = İCZ1 - ĖC - Ėmo Vì İA + İB + İC = 0 và ĖA + ĖB + ĖC = 0, ta suy ra được: U̇ A + U̇ B + U̇ C = - 3Ėmo = 3İmoZmo (5-10) Mặt khác khi dây quấn sơ cấp nối Y: U̇ AB = U̇ A - U̇ B U̇ BC = U̇ B - U̇ C (5-11) U̇ CA = U̇ C - U̇ A Từ các biểu thức (5-10) và (5-11) ta tìm được các điện áp phía sơ cấp: U̇ A = 1 3 (U ̇ AB - U̇ CA) + İaoZmo = U̇ ′A + İaoZmo U̇ B = 1 3 (U ̇ BC - U̇ AB) + İboZmo = U̇ ′B +İboZmo (5-12) U̇ C = 1 3 (U ̇ CA - U̇ BC) + = U̇ ′C + İcoZmo Đồ thị vectơ tương ứng với các phương trình (5-12) được biểu thị ở hình 5-4. Ta thấy rằng ảnh hưởng của dòng điện thứ tự không làm cho điểm trung tính của điện áp sơ cấp bị lệch đi một khoảng bằng İaoZmo. Các phương trình điện áp thứ cấp sẽ có dạng: – U̇ a = U̇ ′A - İAZ1 + İaZ2 = U̇ ′A + İaoZmo – (İA1 + İA2) Z1 + (İa1 + İa2 + İa0) Z2 (5-13)
- 57. - İa1; İA2 = - İa2 và Zmo + Z2 = Zto nên: – U̇ a = U̇ A - İAZn + İaoZto Cũng như vậy: – U̇ b = U̇ B - İBZn + İboZto (5-14) – U̇ c = U̇ ′C - İCZn + İcoZto Các phương trình (5-14) chứng tỏ rằng do có dòng điện tứ tự không, điểm trung tính của điện áp thứ cấp bị lệch đi một khoảng İaoZto lớn hơn so với khoảng lệch của điện áp sơ cấp İaoZmo. Thực ra sự khác nhau đó không đáng kể, vì Zmo ≈ Zto. Sự xê dịch điểm trung tính làm cho điện áp pha không đối xứng (hình 5-3) và bất lợi cho các tải làm việc với điện áp pha như đèn điện. Để hạn chế sự xê dịch điểm trung tính người ta qui định dòng điện trong dây trung tính Id < 25%Iđm. Ngoài ra tổ máy biến áp ba pha không được dùng tổ nối dây Y/Yo vì Zmo quá lớn. Đối với máy biến áp ba trụ, vì Zmo nhỏ hơn nên cho phép dùng tổ nối dây Y/Yo với điều kiện Sđm < 6000 kVA. b) Trường hợp dây quấn nối Yo/Yo, Yo/∆ Ở những trường hợp này, dòng điện thứ tự không tồn tại ở cả phía sơ cấp và thứ cấp và cân bằng nhau: IAO = - Iao:… nên không sinh ra từ thông to và s.đ.đ Eto. Như vậy các phương trình điện áp thứ cấp sẽ như sau: U̇ a = U̇ A - İAZn U̇ b = U̇ B - İBZn (5-15) U̇ c = U̇ C - İCZn Vì İA + İB + İC = İd nên từ (5-16) suy ra được: Hình 5-3. Điện áp không đối xứng do điểm trung tính bị xê dịch
- 58. U̇ b +U̇ c = İdZn (5-16) Điểm trung tính sẽ bị lệch một khoảng İaoZn = 1 3 İdZn. Sự xê dịch này không đáng kể vì Zn rất nhỏ. 5.3.2. Khi không có dòng điện thứ tự không Trường hợp này ứng với các tổ nối dây Y/Y, ∆/𝐘,Y/∆, và ∆/∆. Do không có dòng điện thứ tự không, hơn nữa các dòng điện thuận và ngược phía sơ cấp và phía thứ cấp hoàn toàn cân bằng nhau nên không cần thiết phải phân tích thành thành phần đối xứng và có thể dùng phương pháp thông thường để nghiên cứu điện áp từng pha. Sự liên quan giữa các pha chỉ cần thiết khi xét đến điện áp dây và dòng điện dây. Chú ý rằng ở đây khi tải không cân bằng, ∆U ở các pha không bằng nhau, nhưng vì Zn nhỏ nên sự không cân bằng về điện áp pha và điện áp dây không nghiêm trọng. Trên thực tế, nếu tải không đối xứng với mức thành phần đối xứng thứ tự ngược I2 khác thành phần đối xứng thứ tự thuận I1 không quá 5% thì điện áp được xem như đối xứng. Câu hỏi 1. Ảnh hưởng của dòng thứ tự không đến chế độ làm việc của máy biến áp khi tải không đối xứng? 2. Tổng trở từ hóa của thành phần thứ tự không zmo của tổ máy biến áp ba pha và máy biến áp ba pha ba trụ trong hệ đơn vị tương đối vào khoảng bao nhiêu? So sánh với trị số của tổng trở ngắn mạch zn. 3. Từ thông to và từ thông 3 (xem Chương 2) của ba pha đều trùng pha với nhau về thời gian và có thể khép mạch trong lõi thép của tổ máy biến áp ba pha nhưng khác nhau như thế nào?
- 59. MÁY BIẾN ÁP ĐẶC BIỆT 6.1. MÁY BIẾN ÁP ĐO LƯỜNG a) Công dụng Dùng làm nguồn cung cấp cho các dụng cụ đo lường khi không có khả năng hoặc không hợp lý mắc các dụng cụ đo vào lưới điện cao áp. Cho phép mở rộng giới hạn đo như việc đo dòng và áp lớn khi chỉ có dụng cụ đo dòng và áp có giới hạn thang đo nhỏ. b) Máy biến điện áp - BU - Cấu tạo Máy biến điện áp (hình 6-1, 6-2) có cấu tạo giống như máy biến áp giảm áp thông thường (k > 1). Điện áp thứ cấp tiêu chuẩn hoá U2đm = 100V. Do điện áp ở cuộn dây cao áp rất lớn nên cần phải nối đất thứ cấp để đảm bảo an toàn cho nhân viên vận hành và dụng cụ đo khi cách điện giữa cuộn dây cao và hạ áp bị chọc thủng. Với máy biến áp ba pha có thể có hai cuộn dây thứ cấp, cuộn thứ hai nối tam giác hở để đo áp thứ tự không dùng cho mạch bảo vệ thứ tự không. - Chế độ làm việc Phụ tải của BU là các von kế, oát kế hay đồng hồ đo tần số, nối song song thường có điện trở lớn, tổng trở của chúng tới hàng nghìn Ω nên có thể coi chế độ làm việc là không tải. Nếu bỏ qua sụt áp trong các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp ta có: u k W W E E U U 2 1 2 1 2 1 vậy U1 = ku U2 - Sai số Vì ta đã bỏ qua sụt áp trong các cuộn dây, luôn tồn tại, bởi vậy ta có U1 ≠ ku.U2 và vì thế phép đo mắc các sai số sau: Hình 6-1. Máy biến điện áp (BU) Hình 6-2. Cấu tạo của BU
|
