Bài giảng Kỹ thuật điện B - Chương 4: Máy biến áp
4.1. KHÁI NIỆM
1/ Định nghĩa
Máy biến áp là một thiết bị từ tĩnh, làm việc theo nguyên lý
cam m ưng ng điện từ, dung ng để bien n đoi i một hệ thong ng dong ng điện xoay
chiều ở điện áp này (U1, I1, f) thành một hệ thống dòng điện xoay
chiều ở điện áp khác(U2, I2, f), với tần số không thay đổ
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Kỹ thuật điện B - Chương 4: Máy biến áp", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
Tóm tắt nội dung tài liệu: Bài giảng Kỹ thuật điện B - Chương 4: Máy biến áp
CHƯƠNG 4 MÁY BIẾN ÁP 4.1. KHÁI NIỆM 1/ Định nghĩa Máy biến áp là một thiết bị từ tĩnh, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ dùng để biến đổi một hệ thống dòng điện xoay, chiều ở điện áp này (U1, I1, f) thành một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp khác(U2, I2, f), với tần số không thay đổi. Cuộn dây (1) có số Cuén d©y (2) cã sè ß W lμ é φ vòng W1, nối với lưới có điện áp u1, gọi là dây quấn sơ cấp v ng 2 cu n d©y thø cÊp.i1 W i2 Zt 2u1 u2 W1 Hai cuén d©y cïng ®−ỵc quÊn trªn lâi s¾t (3) Zt lμ phơ t¶i cđa biÕn ¸p 4.1. KHÁI NIỆM 2/ Các đai lương định mứcï ï Các đại lượng định mức của máy biến áp do nhà sản xuất qui định sao cho máy có khả năng làm việc lâu dài và tốt nhất Ba đai . ï lượng định mức cơ bản là : a) Điện áp định mức : - Điện áp sơ cấp định mức U1đm (V,KV): là điện áp qui định cho dây quấn sơ cấp. - Điện áp thứ cấp định mức U2đm (V,KV): là điện áp đo được giữa các cực của dây quấn thứ cấp khi dây quấn thứ cấp hở mạch (chưa á á áđau tải) và điện áp đặt vào dây quan sơ cap là định mức. Với : Máy biến áp 1 pha : điện áp định mức là điện áp pha. Máy biến áp 3 pha : điện áp định mức là điện áp dây. 4.1. KHÁI NIỆM 2/ Các đai lương định mứcï ï Các đại lượng định mức của máy biến áp do nhà sản xuất qui định sao cho máy có khả năng làm việc lâu dài và tốt nhất Ba đai . ï lượng định mức cơ bản là : b) Dòng điện định mức : Dòng điện định mức sơ cấp I1đm (A) và thứ cấp I2đm (A) là dòng điện qui định cho mỗi dây quấn, ứng với công suất định mức và điện áp định mức. Với máy 3 pha, dòng điện định mức là dòng điện dây. c) Công suất định mức Sđm : Là công suất biểu kiến thứ cấp (phát ra) ở chế độ định mức. - Máy 1 pha : Sđm = U2đm I2đm = U1đm I1đm - Máy 3 pha : đmđmđmđmđm 1122 .3..3 IUIUS == 4.1. KHÁI NIỆM 3/ Công dung của máy biến ápï - Máy biến áp dùng để tăng điện áp từ máy phát điện lên đường dây tải điện đi xa và giảm điện áp ở cuối đường dây để , cung cấp cho tải. - Các máy biến thế có công suất nhỏ hơn, máy biến áp (ổn ~ Đường dây tải điện Phụ tải áp) dùng để ổn định điện áp trong nhà, hay các looại biến thế, cục xạc, ... dùng cho các thiết bị điện, điện tử với hiệu điện thế nhỏ ) MFĐ MBA tăng áp MBA giảm áp (230 V sang 24 V, 12 V, 3 V, ... - Ngoài ra máy biến áp còn được sử dụng trong các thiết bị lò ( ù bi á ù l ø) t h ø đi ä ( ù bi á ù h ø ) bi á ùnung may en ap o , rong an en may en ap an , en ap khởi động động cơ, đo lường v.v 4.2. CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP Máy biến áp gồm 2 bộ phận chính là : lõi thép và dây quấn 1/ Lõi thép Lõi thép dùng để dẫn từ thông Để giảm tổn hao do dòng. điện xoáy, lõi thép gồm nhiều lá thép mỏng 0,35 -> 0,5 mm có sơn cách điện ghép lai và gồm hai phần: tru để đặt dây quấn và gôngï ï để khép kín mạch từ giữa các trụ. GG T T TT T GG GG Lõi thép loại trụ 1 pha và 3 pha Tiết diện của trụ dạng bậc thang (MBA điện T T T GGT GG lực) hoặc hình vuông GG Lõi thép loại bọc 1 pha và 3 pha 4.2. CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP Máy biến áp gồm 2 bộ phận chính là : lõi thép và dây quấn 2/ Dây quấn Dây quấn máy biến áp thường bằng đồng hoặc nhôm tiết, diện tròn hay chữ nhật; bên ngoài dây dẫn có bọc cách điện. Dây quấn gồm nhiều vòng dây và lồng vào tru lõi thép. Giữa các vòngï dây, giữa các dây quấn và giữa dây quấn với lõi thép đều có cách điện. Dây quấn có thể bố trí theo kiểu đồng tâm hay xen kẽ. Máy biến áp công suất nhỏ thường làm mát bằng không khí. à HA Máy lớn được đặt trong thùng dau, vỏ thùng có cánh tản nhiệt. Ngoài ra còn có sứ để nối các đầu dây ra ngoài, bộ phận điều chỉnh điện áp rơle bảo vệ HA CA , CA Xen kẽĐồng tâm 4.2. CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP Sứ cao áp Lõi thép Nhãn máy Cánh tản nhiệt Dây quấn 4.3. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP Xét máy biến áp 1 pha như hình vẽ Đ ët đi ä ù hi à hì h i l â d â á ơ á â từa en ap xoay c eu n s n u1 en ay quan s cap nen thông do nó sinh ra cũng là một hàm hình sin : φ = Φ sinωt m Theo định luật cảm ứng điện từ, các sức điện động cảm ứng e1 e2 sinh ra trong cuộn sơ cấp và thứ cấp là :, ) 2 sin(2) 2 sin( 1111 πωπωωφ −=−Φ=−= tEtW dt dWe m ) 2 sin(2) 2 sin( 2222 πωπωωφ −=−Φ=−= tEtW dt dWe m 4.3. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP Trong đó : mm m fWfWWE Φ=Φ=Φ= 1111 44,422 π ω mm m fWfWWE Φ=Φ=Φ= 2222 44,422 π ω Tỉ số biến áp hay hệ số biến áp : 2 1 2 1 W W E Ek == Nếu bỏ qua sụt áp gây ra do điện trở dây quấn và từ thông tản ra ngoài không khí có thể coi gần đúng E ≈ U và E ≈ U, 1 1 2 2 k W W E E U U ==≈ 111 Nếu bỏ qua tổn hao trong máy biến áp thì có thể xem : hoặc 222 IUIU = kIU 212211 IU == 12 4.4. MÁY BIẾN ÁP 3 PHA – TỔ NỐI DÂY 1/ Cấu tao mach từ ï ï Để biến đổi điện áp của một nguồn áp ba pha, ta có thể dùng một trong hai cách: - Tổ máy biến áp 3 pha : gồm 3 máy biến áp một pha (a) - Máy biến áp 3 pha với lõi thép gồm 3 tru (b) ï A a B b C c A B C x y z X Y Z a b c ( ) (b)a 4.4. MÁY BIẾN ÁP 3 PHA – TỔ NỐI DÂY 2/ Ký hiệu các đầu dây Các đầu tận cùng của dây quấn máy biến áp : một đầu gọi là đầu đầu, đầu còn lại gọi là đầu cuối - Dây quấn 1 pha : có thể tùy ý chọn đầu đầu và đầu cuối - Dây quấn 3 pha : các đầu đầu và đầu cuối phải chọn 1 cách h á h át ong n at. 4.4. MÁY BIẾN ÁP 3 PHA – TỔ NỐI DÂY 2/ Ký hiệu các đầu dây 3/ Các kiểu nối dây Các kiểu nối dây MBA 3 pha phụ thuộc vào cấp điện áp, mức độ ảnh hưởng của phụ tải không đối xứng và loại phụ tải. 4.4. MÁY BIẾN ÁP 3 PHA – TỔ NỐI DÂY 3/ Các kiểu nối dây a) Nèi sao (Y , Y0): Trong d©y quÊn nèi Y: U U I I3 A B C d = f, d = f. X Y Z (Y) D©y quÊn nèi Y dïng cho d©y quÊn CA v× khi ®ã U U lÇ ã l i Ị Ỉt ¸ h ®iƯ D© A B C O f < d n → c ỵ v m c c n. y quÊn nèi Y0 dïng trong tr−êng hỵp phơ t¶i hçn hỵp dïng c¶ Ud vμ Uf chđ yÕu dïng cho d©y quÊn 3 X Y Z (Y0) , HA. Trong 1 sè Ýt tr−êng hỵp dïng c¶ cho CA. b) Nèi tam gi¸c (Δ): 3 Th−êng dïng cho d©y quÊn HA cđa m¸y biÕn ¸p A B C Trong d©y quÊn nèi Δ : Id = If, Ud = Uf. trung gian. ViƯc nèi Δ cã lỵi h¬n ë phÝa HA v× dßng ®iƯn If < Id lÇn → cã thĨ gi¶m tiÕt diƯn3 (Δ) d©y→ thuËn tiƯn cho viƯc chÕ t¹o. X Y Z 4.4. MÁY BIẾN ÁP 3 PHA – TỔ NỐI DÂY 4/ Tỉ số biến áp W á ø d â 1 h á l ø1 : so vong ay p a sơ cap a W2 : và số vòng dây 1 pha thứ cấp. Ta có tỉ số điện áp pha : UW á 2 1 2 1 p p p UW k == Uvà tỉ so điện áp dây : Tỉ số điện áp dây không chỉ phụ thuộc vào số vòng dây mỗi 2 1 d d d U k = pha mà còn phụ thuộc vào cách nối Y hay Δ. Ta lần lượt có : - Nối Y/Y : ddd kUUUUk === 2121 .3/.3/ - Nối Y/Δ : ppp pppddd kUUUUk .3/.3/ 2121 === ( )- Nối Δ/Y : - Nối Δ/Δ : pppddd kUUUUk .3/13// 2121 === kUUUUk === // pppddd 2121 4.4. MÁY BIẾN ÁP 3 PHA – TỔ NỐI DÂY 5/ Tổ nối dây máy biến áp Tổ nối dây biểu thị góc lệch pha giữa các sức điện động dây sơ và thứ cấp Góc lệch pha (tổ nối dây) phụ thuộc vào : - Chiều quấn dây C ù h k ù hi ä ù đ à d â- ac y eu cac au ay - Cách đấu dây sơ và thứ cấp Để xác định tổ nối dây, người ta dùng phương pháp kim đồng hồ : 12 1 210 11 Kim dài chỉ sức điện động dây sơ cấp đặt cố định ở con số 12, kim ngắn chỉ sức điện động dây thứ cấp 3 48 9 đặt tương ứng ở các số 1, 2,, 12 tùy theo góc lệch pha giữa chúng là 30, 567 60,, 360° 4.4. MÁY BIẾN ÁP 3 PHA – TỔ NỐI DÂY 5/ Tổ nối dây máy biến áp a) Tổ nối dây MBA 1 pha α = 0o→ I/I-12 α = 180o→ I/I-6 α = 180o→ I/I-6 4.4. MÁY BIẾN ÁP 3 PHA – TỔ NỐI DÂY 5/ Tổ nối dây máy biến áp a) Tổ nối dây MBA 3 pha Nếu hoán vị thứ tư pha hoặc Nếu hoán vị thứ tư pha hoặcï đổi chiều quấn dây hoặc đổi ký hiệu đầu dây, ta có các tổ ï đổi chiều quấn dây hoặc đổi ký hiệu đầu dây, ta có các tổ nối dây chẵn: 2, 4, 6, 8, 10, 12. nối dây lẻ: 1, 3, 5, 7, 9, 11 BÀI TẬP Xác định tổ nối dây của các sơ đồ sau : A B C A B C A B C X Y Z X Y Z b c a X Y Z c b a a b c y z x z y x x y z a) b) c) 4.5. CÁC PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA MBA Có 2 nguyên nhân gây ra sụt áp trong các dây quấn đó là: Sut áp do các điện trở sơ cấp R và thứ cấp R- ï 1 2 - Sụt áp do từ thông tản. Từ thông tản chỉ móc vòng riêng rẻ với mỗi dây quấn Từ thông tản móc vòng sơ cấp ký hiệu ψ do dòng. t1 sơ cấp i1 gây ra, từ thông tản móc vào vòng thứ cấp ψt2 do dòng thứ cấp i2 gây ra. Từ thông tản được đặc trưng bằng điện cảm tản. Điện cảm tản sơ cấp L1 và thứ cấp L2 lần lượt là : 21 LL tt ψψ 2 2 1 1 ; ii == 4.5. CÁC PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA MBA 1/ Phương trình điện áp sơ cấp dt diLireu 111111 ++= Dạng phức : với : tổng trở phức của dây quấn sơ cấp 1 . 11 . 1 . 11 . 11 . 1 . IZEIjxIrEU +=++= jxrZ += x1 = ωL1 : điện kháng tản sơ cấp 111 2/ Phương trình điện áp thứ cấp di D hứ ...... IZEIjIEU dt Lireu 222222 −−= ạng p c : với : tổng trở phức của dây quấn thứ cấp L đi ä kh ù û h ù á 222222222 xr −=−−= 222 jxrZ += x2 = ω 2 : en ang tan t ư cap 4.5. CÁC PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA MBA 3/ Phương trình cân bằng sức từ động Nếu bỏ qua điện áp rơi trên dây quấn sơ cấp thì ta có: U = E = 4 44 W f Φ1 1 , . 1 . m. Nhưng U1 = Uđm = const dù máy biến áp không tải hay có tải nên Φ = const và E1 = const. Để Φ = const thì sức từ động khim m không tải sinh ra Φm phải bằng tổng sức từ động sơ cấp và thứ cấp khi có tải để tổng sức từ động đó cũng sinh ra Φ = Φm. i1W1 - i2W2 = i0W1 Hoặc : 10 . 22 . 11 . WIWIWI =− Chia 2 vế cho W1 ta có : 2 . 0 . 2 . 2 0 . 1 . 'III W WII +=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛+= với : dòng điện thứ cấp đã qui đổi về sơ 1 2 . 2 . 2 2 . 1' I k I W WI == cấp 1 4.5. CÁC PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA MBA Tóm lại, mô hình tính toán của MBA gồm 3 phương trình : 1 . 11 . 1 . IZEU += ... & tZIIZEU .22222 =−= 2 . 0 . 1 . 'III += 4.6. MẠCH ĐIỆN TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA MÁY BIẾN ÁP 1/ Qui đổi các đại lượng thứ cấp về sơ cấp a) Sức điện động và điện áp thứ cấp qui đổi : Sức điện động qui đổi : 22 2 1 12 .' EkEW WEE === tương tư, điện áp qui đổi : U’2 = kU2 ï 4.6. MẠCH ĐIỆN TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA MÁY BIẾN ÁP 1/ Qui đổi các đại lượng thứ cấp về sơ cấp b) Dòng điện thứ cấp qui đổi : 22 1' IIWIEI c) Điện trở, điện kháng, tổng trở thứ cấp qui đổi : 22 1 2 2 2 ' kWE === ; x’2 = k2x2 ; Z’2 = k2Z2 ; Z’t = k2Zt2 2 2 2 2 2' rkr Ir =⎟⎟ ⎞ ⎜⎜ ⎛= 2'I ⎠⎝ 4.6. MẠCH ĐIỆN TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA MÁY BIẾN ÁP 1/ Qui đổi các đại lượng thứ cấp về sơ cấp d) Các phương trình qui đổi 1 . 11 . 1 . IZEU += ZIIZEU '''''' ... &== t.22222 − 2 . 0 . 1 . 'III += 4.6. MẠCH ĐIỆN TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA MÁY BIẾN ÁP 2/ Mach điện thay thế máy biến áp ï Thay thế nhánh E1 = E’2 bằng điện áp rơi trên tổng trở Zm đặc trưng cho từ thông chính và sư tổn hao sức từ trong lõi thépï , được biểu thị bằng tổn hao trên điện trở từ hóa rm đặt nối tiếp với điện kháng từ hóa xm. Vì từ thông chính do dòng điện không tải I0 sinh ra nên ta có thể viết : ( ) ZIjxrIEE .... ' + với : tổng trở nhánh từ hóa mmm 0021 === mmm jxrZ += Như vậy ta đã thay thế máy biến áp thực gồm các mạch điện Mạch thay thế hình T của máy biến áp sơ cấp, thứ cấp riêng biệt và mạch từ của nó bằng một mạch điện thống nhấtù gọi là mạch điện thay thế hình T của máy biến áp. 4.6. MẠCH ĐIỆN TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA MÁY BIẾN ÁP 3/ Mach điện thay thế đơn giản của máy biến áp ï Trong thực tế Zm rất lớn so với tổng trở sơ cấp hoặc thứ cấp, dòng I nhỏ do đó ta có thể xem Z = ∞ như vậy có thể xem như0 m , hở mạch nhánh từ hóa. Như vậy máy biến áp có thể thay bằng một mạch điện rất đơn giản như hình vẽ. Trong đó : rn = r1 + r’2 : điện trở ngắn mạch x = x1 + x’2 : điện kháng ngắn machn ï Zn= rn + jxn : tổng trở ngắn mạch 4.7. THÍ NGHIỆM KHÔNG TẢI MÁY BIẾN ÁP Thí nghiệm không tải dùng để : - Xác định tỷ số biến áp k X ù đị h t å h ét từ- ac n on ao sa - Xác định các thông số của máy ở chế độ không tải. Sơ đ à thí hi ä o ng em Điều kiện : Đo đươc - Hở mạch thứ cấp Cho U = U ï - Điện áp thứ cấp không tải U20 - Tổn hao không tải p- 1 1đm 0 - Dòng không tải I0 4.7. THÍ NGHIỆM KHÔNG TẢI MÁY BIẾN ÁP Xác định đươc các thông số sau : ï a) Tỉ số biến áp : đm1111 U U U U E E W Wk =≈== b) Dòng điện không tải phần trăm : đm22022 I ) Đi ä û kh â ûi %10%3%100 I % 00 ÷=×= 1đm I pc en trơ ong ta : å û û mRI R ≈= 2 0 0 0 Ud) Tong trơ không tai : 0 0 I Z 1đm= e) Điện kháng không tải : mXRZX ≈−= 20200 pf) Hệ số công suất không tải : 3,01,0cos 0 0 0 ÷== I1đmU ϕ 4.8. THÍ NGHIỆM NGẮN MẠCH MÁY BIẾN ÁP Thí nghiệm ngắn mach dùng để : ï - Điện áp ngắn mạch phần trăm Un% Đi ä t ở ø đi ä kh ù é h R ø X û h- en r va en ang ngan mạc n va n cua mạc tương đương Tổn hao đồng định mức p- Cuđm Sơ đồ thí nghiệm Điều kiện : - I1 = I1đm ; I2 = I2đm Đo được - Điện áp ngắn mạch : Un - Tổn hao đồng định mức : Pn 4.8. THÍ NGHIỆM NGẮN MẠCH MÁY BIẾN ÁP Xác định đươc các thông số sau : ï a) Điện áp ngắn mạch phần trăm : U b) T å h đ à đị h ứ %100 U % 1đm n nU = on ao ong n m c : 2 2 21 2 1 2 1 2 .... RIRIRIRIPp nnnn đmđmđmCuđm +==== c) Tổng trở, điện trở và điện kháng ngắn mạch : UP å å à n n n I Z =2 n n n I R = 22 nnn RZX −= đe đơn giản, có the tính gan đúng : R1 = R’2 = Rn/2; X1 = X’2 = Xn/2 suy ra : 2 2 22 2 2 ';' k XX k RR == 4.9. CHẾ ĐỘ CÓ TẢI CỦA MÁY BIẾN ÁP Hệ số tải : (S2 = St ; I2 = It) đmđmđm 1 1 2 2 2 2 IIS IISkt ≈== 1 8 1 Độ biến thiên điện áp thứ cấp theo tải :. . . - Khi U1 = U1đm và I2 = 0 (không tải) thì U2 = U2đm Khi có tải : I ≠ 0 (có tải) thì U thay đổi theo tải- 2 2 - Độ biến thiên điện áp thứ cấp : ΔU2 = U2đm – U2 Độ biến thiên điện áp thứ cấp phần trăm :- %100%100% 2122 ×′−=×−=Δ đmđm UUUUU 12 2 đmđm UU 4.9. CHẾ ĐỘ CÓ TẢI CỦA MÁY BIẾN ÁP Từ mach tương đương và đồ thị vectơ khi có tải ï Ta có công thức tính ΔU2% như sau : ⎞⎛ IXIR %100sincos%2 ⎟⎟⎠⎜ ⎜ ⎝ +=Δ tntnt UUkU ϕϕ 1đm 1đm 1đm 1đm Nếu biết U2, I2, cosϕ2; ta suy ra U’2=kU2; I’2=I2/k=I1 và tính được U1 từ công thức chính xác : ( ) ( )222222221 sin'cos' IxUIrUU nn ′++′+= ϕϕ 4.9. CHẾ ĐỘ CÓ TẢI CỦA MÁY BIẾN ÁP 1 8 2 Đặc tuyến ngoài :. . . Đường đặc tuyến ngoài biểu diễn quan hệ U2 = f(I2) khi U1=U1đm và cosϕ2 =const 4.9. CHẾ ĐỘ CÓ TẢI CỦA MÁY BIẾN ÁP 1.8.3. Các tổn hao : Khi máy biến áp làm việc, có các tổn hao sau : a) Tổn hao trên điện trở dây quấn sơ và thứ cấp goi là tổnï hao đồng pCu : Tổn hao đồng phụ thuộc vào dòng tải ( )CuCuCu PkRIkRI RRIRIRIRIRIppp 222 21 2 12 2 21 2 12 2 21 2 121 ′+=′′+=+=+= 2 Pn đươc xác định trong thí nghiệm ngắn mach. ntntn .. 11 === đm ï ï b) Tổn hao sắt từ (tổn hao lõi thép) pFe: Do dòng điện xoáy và hiện tương từ trễ sinh ra không phụ , ï thuộc tải và được xác định trong thí nghiệm không tải pFe = P0 4.9. CHẾ ĐỘ CÓ TẢI CỦA MÁY BIẾN ÁP 1.8.4. Hiệu suất : P2 = Pt = Stcosϕt = ktSđmcosϕt : công suất phát cho tải P1 = P2 + pC + pF : công suất nhận từ nguồnu e Hiệu suất : t SkP 2 22 cos== ϕη đm Khi cosϕ không đổi hiệu suất đat cưc đai khi ntt PkPSkP 021 cos ++ϕđm 0=dηt , ï ï ï suy ra hệ số tải ứng với hiệu suất cực đại là : tdk P Với máy trung bình hoặc lớn thường kt=0 5 ÷ 0 7 khi hiệu n t P k 0= , , , suất cực đại. 4.10. ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC SONG SONGMÁY BIẾN ÁP Các điều kiện làm việc song song: Đi ä ù đị h ứ b è h- en ap n m c ang n au -Tổ đấu dây giống nhau -Tỷ số biến áp giống nhau -Điện áp ngắn mạch % không lệch quá 10% Công s ất khác nha không q á 3 lần- u u u
File đính kèm:
- bai_giang_ky_thuat_dien_b_chuong_4_may_bien_ap.pdf