Bài giảng Máy điện - Chương 2: Máy biến áp - Nguyễn Quang Nam

1Phần 1
Bài giảng
Chương 2: Máy biến áp
TS. Nguyễn Quang Nam
2013 – 2014, HK 2
nqnam@hcmut.edu.vn
2Phần 1

 Truyền tải điện năng từ một mạch sang một mạch khác 
thông qua từ trường.

 Ứng dụng: cả lĩnh vực năng lượng lẫn truyền thông.

 Trong truyền tải, phân phối, và sử dụng điện năng: tăng 
hay giảm điện áp ở tần số cố định (50/60 Hz), ở công suất 
hàng trăm W đến hàng trăm MW.
Máy biến áp – Giới thiệu
3Phần 1

 Trong truyền thông, máy biến áp có thể được dùng để
phối hợp trở kháng, cách ly DC, và thay đổi cấp điện áp ở
công suất vài W trên một dải tần số rất rộng.

 Gần đây, máy biến áp với lõi ferrite (còn gọi là biến áp 
xung) đang ngày càng phổ biến theo sự phát triển của các 
bộ biến đổi điện tử công suất (bộ nguồn xung trong các 
máy tính là một ví dụ).

 Môn học này chỉ xem xét các máy biến áp công suất.
Máy biến áp – Giới thiệu (tt)
4Phần 1

 Sự biến đổi năng lượng chỉ yêu cầu có từ thông móc 
vòng biến thiên theo thời gian. Do đó, lõi không khí cũng có
thể tạo ra hiệu ứng biến áp, nhưng lõi thép kỹ thuật điện sẽ
cho phép thực hiện hiệu quả hơn rất nhiều lần.

 Lõi thép trong máy biến áp được ghép từ nhiều lá thép 
mỏng, để giảm tổn hao do dòng điện xoáy.

 Mặc dù máy biến áp lực sử dụng lõi thép, vẫn tồn tại một 
lượng nhỏ từ thông tản, chỉ liên quan đến từng dây quấn.
Máy biến áp – Giới thiệu (tt)
5Phần 1
Một số hình ảnh về máy biến áp
Điều khiển
Công suất nhỏ 3 pha nhỏ
Loại khô
10 kV, ngâm dầu
110 kV, ngâm dầu
500 kV, ngâm dầu
6Phần 1

 Nếu cấp điện cho dây quấn sơ cấp, và để hở mạch dây 
quấn thứ cấp, ta có điều kiện làm việc không tải (hình 2.4).

 Để tạo ra từ thông làm việc trong máy (bằng với giá trị
bình thường), cần có một dòng điện được cung cấp từ
nguồn, được gọi là dòng điện không tải.

 Thông thường dòng điện từ hóa có giá trị rất nhỏ so với 
dòng điện định mức, do đó có thể xem điện áp cảm ứng có
giá trị bằng với điện áp đặt vào dây quấn.
Máy biến áp – Hoạt động không tải
7Phần 1

 Giả sử từ thông có dạng

 Điện áp đặt vào V1 khi đó sẽ thỏa mãn
với f là tần số dòng điện từ hóa, và N1 là số vòng dây của 
cuộn sơ cấp.

 Nếu mạch từ hoạt động ở vùng phi tuyến, dạng sóng 
dòng từ hóa sẽ khác với dạng sóng từ thông.
Máy biến áp – Hoạt động không tải (tt)
( )tωφφ sinmax=
1max1max1 44,42 NfNfV φφpi ==
(2.1)
(2.2)
8Phần 1

 Dòng điện không tải bao gồm 2 thành phần: thành phần 
tổn hao lõi thép và thành phần từ hóa.

 Khi mạch từ hoạt động ở vùng phi tuyến, dòng điện 
không tải sẽ gồm thành phần cơ bản và các họa tần bậc lẻ. 
Xét thành phần cơ bản của dòng điện không tải hoặc dòng 
điện không tải hình sin tương đương, có thể biểu diễn dòng 
điện không tải bằng một giản đồ vectơ (hình 2.5).

 Ví dụ 2.1 (sách Fitzgerald).
Máy biến áp – Hoạt động không tải (tt)
9Phần 1

 Xét một mạch từ có quấn 2 cuộn 
dây như hình vẽ. Bỏ qua các tổn 
hao, điện dung ký sinh, và từ thông 
rò.
Máy biến áp lý tưởng
φ
N1 N2
i1 i2
v2v1
+
–
+
–
( )
dt
dNtv φ11 = ( ) dt
dNtv φ22 = ⇒ ( )( ) aN
N
tv
tv
==
2
1
2
1
a được gọi là tỷ số vòng dây.

 Xem mạch từ có độ thẩm từ vô cùng lớn hay từ trở bằng 0.
(2.3)
10Phần 1
Máy biến áp lý tưởng (tt)

 Sức từ động tổng cho bởi
02211 ==+= φRiNiNmmf
⇒
( )
( ) aN
N
ti
ti 1
1
2
2
1
−=−=
Ideal
N1:N2
+
–
+
–
i1 i2
v1 v2
aN
N
i
i
a
N
N
v
v 1
1
2
2
1
2
1
2
1
−=−===
( ) ( ) ( ) ( ) 02211 =+ titvtitv

 Dẫn đến mô hình toán của MBA như sau
(2.4)
(2.5)
(2.6)
11Phần 1

 Có thể thấy rằng, với một máy biến áp lý tưởng (theo quy 
ước mạch điện như ở slide trước)
Máy biến áp lý tưởng (tt)
Ideal
N1:N2
+
–
+
–
i1 i2
v1 v2
aN
N
i
i
a
N
N
v
v 1
1
2
2
1
2
1
2
1
====
( ) ( ) ( ) ( )titvtitv 2211 =
av
v
L
L
i
ik 11
1
2
1
2
2
1
−=−=−== ⇒
2
12
2
21 NLNL =

 Một mô hình khác sát với hiện tượng vật lý hơn
(2.7)
12Phần 1

 Xét 1 MBA lý tưởng với tải điện trở nối vào dây quấn 2

 Theo định luật Ohm

 Thay và
Tính chất thay đổi trở kháng của MBA lý tưởng
RL
Ideal
N1:N2
+
–
+
–
i1 i2
v1 v2
LRi
v
=
2
2
avv 12 = 12 aii =
LL RN
NRa
i
v
2
2
12
1
1






==

 Có thể dễ dàng mở rộng kết quả trên cho các hệ thống có
tải phức. Có thể chứng minh rằng
LL ZaZN
N
I
V
N
N
I
V 2
2
2
1
2
2
2
2
1
1
1
=





=





=
(2.8)
(2.9)
13Phần 1

 Như vậy, nếu chỉ khảo sát phía sơ cấp, sẽ không thể phân 
biệt được giữa mạch điện có điện trở tương đương nối vào 
sơ cấp, với mạch điện có tổng trở tải nối vào thứ cấp.

 Tóm lại, trong máy biến áp lý tưởng, điện áp được quy đổi 
theo tỷ số vòng dây, dòng điện theo nghịch đảo tỷ số vòng 
dây, và tổng trở theo bình phương tỷ số vòng dây. Công 
suất thực và công suất biểu kiến không đổi.
Quy đổi tổng trở, điện áp, và dòng điện
14Phần 1

 Tính chất thay đổi trở kháng có thể được dùng 
để cực đại hóa việc truyền công suất giữa các dây 
quấn, hay phối hợp trở kháng.

 Một MBA lý tưởng được đặt giữa nguồn công 
suất (trở kháng Zo) và tải (trở kháng ZL). Tỷ số 
vòng dây được chọn sao cho
Phối hợp trở kháng
( ) Lo ZNNZ 221≈ (2.10)
15Phần 1

 Xét một MBA với từ thông rò và điện trở dây quấn. Mạch 
tương đương rút trực tiếp từ mô hình vật lý là đơn giản 
nhưng không có ích lắm. Các phương trình phía thứ cấp 
được nhân với a (= N1/N2) và i2 được thay thế bởi i2/a, để rút 
ra một mạch tương đương có ích hơn (hình 2.10).
Mạch tương đương của MBA với mạch từ tuyến tính
RL
N1:N2
+
–
+
–
i1 i2
v1 v2 a
2RL
a2R2
aM
i1 i2/a
R1 L1 – aM a
2L2 – aM
v1 av2
–
+
–
+
16Phần 1
Mạch tương đương của MBA với mạch từ tuyến tính

 L1 – aM được gọi là điện cảm tản của dây quấn 1, a2L2 – aM 
được gọi là điện cảm tản “quy đổi” của dây quấn 2. aM là điện 
cảm từ hóa, và dòng điện đi cùng với nó được gọi là dòng điện từ
hóa.

 Tồn tại tổn hao công suất trong lõi từ do từ trễ và dòng xoáy. 
Các tổn hao này rất khó tính toán bằng giải tích. Tổng các tổn hao 
này biểu diễn tổn hao tổng trong mạch từ của máy biến áp, và chỉ
phụ thuộc vào giá trị Bm. Chúng được gọi là tổn hao (lõi) thép. 
Một điện trở có thể được mắc song song với điện kháng từ hóa 
aM để kể đến các tổn hao này.
17Phần 1
Mạch tương đương của MBA với mạch từ tuyến tính (tt)
RL
Ideal
N1:N2
+
–
+
–
i1 i2
v1 v2
+
–
av2
R1 L1 – aM
Rc1 (aM)1
a2R2 a
2L2 – aM

 Tải thực RL và điện áp/dòng điện đi cùng với nó có thể có 
được bằng cách quy đổi ngược về phía thứ cấp, qua một 
MBA lý tưởng (như được thể hiện ở hình trên).

 Khi có xét đến các tổn hao công suất, mạch tương đương 
(hình T) của MBA như sau
18Phần 1

 Khi vận hành xác lập, các trở kháng và vectơ pha có thể 
được dùng trong mạch tương đương.
Máy biến áp vận hành xác lập hình sin
ZL
Ideal
N1:N2
+
–
+
–
+
–
R1 jxl1
Rc1 jXm1
a2R2 ja
2xl2
với 
1I
2I
2V1V 2Va
aI 2
( )
( )
( )
( ) ==−
==−
==
==−
2
2
2
2
22
1
11
l
l
m
l
xaaMLa
xaML
XaM
xaML
ω
ω
ω
ω Điện kháng tản của dây quấn 1
Điện kháng từ hóa quy đổi về dây quấn 1
Điện kháng tản của dây quấn 2
Điện kháng tản của d/quấn 2 quy đổi về d/quấn 1
19Phần 1

 Tất cả các đại lượng có thể được quy đổi về dây quấn 1
Máy biến áp vận hành xác lập hình sin (tt)
a2ZL
+
–
+
–
R1 jxl1
Rc1 jXm1
a2R2 ja
2xl2
1I
1V 2Va
aI 2
ZL
+
–
+
–
R1/a2 jxl1/a
2
Rc1/a2 jXm1/a2
R2 jxl2
1Ia
aV1 2V
2I

 Hoặc có thể quy đổi về dây quấn 2
1Phần 2
Bài giảng
Chương 2: Máy biến áp
TS. Nguyễn Quang Nam
2013 – 2014, HK 2
nqnam@hcmut.edu.vn
2Phần 2

 Nhánh từ hóa khiến việc tính toán khá khó khăn, do đó
nhánh này được chuyển lên phía đầu dây quấn 1, tạo thành 
một mạch tương đương gần đúng, với sai số không đáng kể.
Các yếu tố kỹ thuật trong phân tích MBA
R1
1I+
–
Rc1 jXm11V a2ZL
+
–
jxl1 a2R2 ja
2xl2
2Va
aI2
R1eq
1I+
–
Rc1 jXm11V a2ZL
+
–
jx1eq
2Va
aI2
2
2
11
2
2
11
lleq
eq
xaxx
RaRR
+=
+= (2.11)
(2.12)
3Phần 2

 Các thông số trong mạch tương đương có thể được xác 
định nhờ hai thí nghiệm đơn giản: thí nghiệm hở mạch and 
thí nghiệm ngắn mạch.

 Trong các MBA công suất, các dây quấn còn được gọi là
dây quấn cao áp (HV) và dây quấn hạ áp (LV). Các tên gọi 
này được dùng trong các thí nghiệm hở mạch và ngắn 
mạch.
Thí nghiệm hở mạch và ngắn mạch của MBA
4Phần 2

 Thí nghiệm được thực hiện với tất cả dụng cụ đo ở phía hạ
áp còn phía cao áp được hở mạch. Đặt điện áp định mức vào 
phía hạ áp. Đo được Voc, Ioc, và Poc bằng các dụng cụ đo.
Thí nghiệm hở mạch
A
V
W
ocV
LV HV
Thí nghiệm hở mạch
ocV
Rc Xm
RI XI
ocI
Mạch tương đương
5Phần 2

 Lần lượt tính toán như sau
Thí nghiệm hở mạch (tt)
oc
oc
c P
V
R
2
=
c
oc
R R
V
I = XRoc III +=
Vậy,
22
RocX III −=
X
oc
m I
V
X =

 Rc và Xm là các giá trị quy đổi về phía hạ áp.
ocV
Rc Xm
RI XI
ocI
Mạch tương đương
6Phần 2

 Tất cả dụng cụ đo nằm ở phía cao áp. Cấp dòng điện 
định mức vào phía cao áp. Đo được Vsc, Isc, và Psc bằng các 
dụng cụ đo.
Thí nghiệm ngắn mạch

 Req và Xeq được quy đổi về phía cao áp.
A
V
W
scV
HV LV
Req Xeq
scV
scI
2
sc
sc
eq I
P
R =
sc
sc
eq I
V
Z = 22
eqeqeq RZX −=
7Phần 2

 Hiệu suất được định nghĩa là tỷ số giữa công suất thực 
ngõ ra và công suất thực ngõ vào.
Hiệu suất
%100%100 ×
++
=×
+
==
icout
out
out
out
in
out
PPP
P
lossesP
P
P
Pη
Các tổn hao (losses) bao gồm tổn hao đồng Pc và tổn hao 
sắt (thép) Pi.

 Cách khác, nếu đã biết công suất vào,
%100×−−=
in
icin
P
PPPη
(2.13)
(2.14)
8Phần 2

 Định nghĩa hệ số tải β
Hiệu suất (tt)
dmI
I
2
2
=β

 Hiệu suất có thể được tính bởi
( ) ( ) %100cos1% 202
2
0 ×





++
+
−=
ndm
n
PPS
PP
βθβ
βη
(2.15)
(2.16)
với P0 = Poc, Pn = Psc, và Sdm là công suất (biểu kiến) định 
mức của máy biến áp.
9Phần 2
Độ ổn định điện áp

 Độ ổn định điện áp được định nghĩa là
%100%
load
loadload no ×
−
=∆
V
VVV
Vno load – điện áp không tải, Vload – điện áp khi có tải

 Độ ổn định được hiểu theo nghĩa: giá trị %∆V càng nhỏ
thì điện áp càng ổn định, khi tải thay đổi. 

 Thảo luận: Độ ổn định điện áp có phụ thuộc vào tính chất 
cảm kháng hay dung kháng của tải hay không?
(2.17)
10Phần 2
Độ ổn định điện áp (tt)

 Có thể tính gần đúng
( ) ( )( ) %100sin%cos%% 22 ×+=∆ θθβ nxnr uuV
với β là hệ số tải, θ2 là góc hệ số công suất phía của tải, unr
và unx là phần thực và phần ảo của vectơ pha ∆U (là hiệu 
của vectơ pha điện áp U2 khi không tải và khi có tải).
(2.18)
11Phần 2
Máy biến áp tự ngẫu

 Hai cuộn dây của một MBA bình thường có thể được 
nối lại để tạo thành MBA tự ngẫu, như hình 2.17b. 
Nguồn: “Electric Machinery”, 6E, Fitzgerald
12Phần 2
Máy biến áp tự ngẫu (tt)

 Việc làm trên sẽ khiến 2 cuộn dây của máy không còn 
cách ly với nhau nữa.

 Tuy nhiên, khi điện áp sơ cấp và thứ cấp không quá
khác biệt, MBA tự ngẫu có thể giảm chi phí chế tạo nhiều, 
cũng như có điện kháng tản, tổn hao, và dòng điện không 
tải nhỏ hơn so với MBA 2 dây quấn (ví dụ 2.7).
13Phần 2
Ví dụ 2.7 (Sách Fitzgerald)

 MBA 2400:240-V 50 kVA trong vd 2.6 được nối thành 
máy biến áp tự ngẫu (BATN), như trong hình 2.18a, với ab 
là dây quấn 240 V và bc là dây quấn 2400 V.

 Tính định mức điện áp VH và VX tương ứng với phía cao 
áp và hạ áp.

 Tính định mức kVA của BATN

 Tổn thất được cho trong vd 2.6. Tính hiệu suất định mức 
của BATN ở tải định mức với hệ số công suất 0,8 trễ.
14Phần 2

 Có thể dùng 3 máy biến áp 1 pha để nối thành 
máy biến áp 3 pha theo 1 trong 4 cách sau: Y-∆, ∆-
Y, ∆-∆, và Y-Y (hình 2.19, sách Fitzgerald).

 Trong các sơ đồ trên hình, các cuộn dây sơ cấp 
và thứ cấp song song với nhau là các cuộn dây 
tương ứng.

 Bất chấp kiểu nối dây, định mức của máy biến 
áp 3 pha bằng 3 lần định mức của máy biến áp 1 
pha thành phần.
Máy biến áp ba pha
15Phần 2
Máy biến áp ba pha (tt)
Nguồn: “Electric Machinery”, 6E, Fitzgerald
16Phần 2

 Kiểu nối Y-∆ thường được dùng để hạ điện áp từ
cao thế xuống trung hoặc hạ thế. Lý do là trung tính 
phía cao thế trong nhiều trường hợp cần được nối 
đất.

 Kiểu nối ∆-Y thường dùng để tăng điện áp đến 
giá trị cao thế.

 Kiểu nối ∆-∆ có một ưu điểm là một máy biến áp 
có thể được tháo ra để sửa chữa trong khi hai máy 
còn lại vẫn vận hành với tổng công suất còn 58%.
Máy biến áp ba pha (tt)
17Phần 2

 Kiểu nối Y-Y ít khi được dùng vì không có dây 
quấn nào cho phép khử các họa tần bậc 3.

 Cũng có thể sử dụng một lõi thép nhiều trụ để
chế tạo máy biến áp 3 pha. Các ưu điểm: chi phí, 
trong lượng, diện tích sàn nhỏ hơn, và hiệu suất 
cao hơn đôi chút.
Máy biến áp ba pha (tt)
18Phần 2

 Với các hệ cân bằng, có thể phân tích máy 3 pha 
bằng sơ đồ 1 pha, với giả thiết hiện tượng xảy ra 
trong 2 pha còn lại không khác gì.

 Khi gặp các bài toán có các mạch 3 pha nối ∆, có
thể quy đổi thành mạch 3 pha nối Y tương đương.

 Ví dụ 2.8 (sách Fitzgerald).
Máy biến áp ba pha (tt)
19Phần 2

 Ba MBA một pha 50 kVA, 2400:240-V hoàn toàn 
giống nhau (như trong vd 2.6) được nối theo kiểu Y-
∆ để tạo thành MBA 150 kVA, và nối vào một 
đường dây có tổng trở 0,15 + j1,00 Ω/pha.

 MBA cung cấp cho một tải 3 pha cân bằng thông 
qua một đường dây có tổng trở 0,0005 +j0,002 
Ω/pha. Tìm điện áp dây của tải khi tải tiêu thụ dòng 
định mức từ MBA ở HSCS 0,8 trễ.
Ví dụ 2.8 (Sách Fitzgerald)
20Phần 2

 Máy biến áp cũng thường được dùng trong đo 
lường để điều chỉnh cấp điện áp hay dòng điện cho 
phù hợp với thang đo của thiết bị đo.

 Điện áp và dòng điện cần đo có thể có giá trị rất 
lớn so với các thang đo đã chuẩn hóa.

 Một kỹ thuật phổ biến là dùng các máy biến áp 
đặc biệt, gọi là PT và CT.
Máy biến điện áp và máy biến dòng
21Phần 2

 PT (Potential Transformer) là máy biến điện áp, 
vận hành ở chế độ gần như hở mạch, cho phép có 
điện áp thứ cấp tỷ lệ và cùng pha với sơ cấp.

 CT (Current Transformer) là máy biến dòng, vận 
hành ở chế độ gần như ngắn mạch, cho phép có 
dòng điện thứ cấp tỷ lệ và cùng pha với sơ cấp.
Máy biến điện áp và máy biến dòng (tt)
22Phần 2

 PT và CT, gọi chung là máy biến áp đo lường, 
được chế tạo giống với máy biến áp lý tưởng đến 
mức có thể.

 Sai số của PT có thể được giảm thiểu bằng cách 
chế tạo sao cho tổng trở tản sơ cấp nhỏ hơn rất 
nhiều so với điện kháng từ hóa.

 Sai số này tăng lên khi PT mang tải (hữu hạn).
Máy biến điện áp và máy biến dòng (tt)
23Phần 2

 Sai số của CT cũng có thể được giảm thiểu bằng 
cách làm cho tổng trở tản thứ cấp nhỏ hơn rất 
nhiều so với điện kháng từ hóa.

 Sai số này tăng lên khi CT mang tải (hữu hạn).

 Tải của PT phải lớn hơn một giá trị tối thiểu, và
tải của CT phải nhỏ hơn một giá trị tối đa, để đảm 
bảo sai số nằm trong phạm vi thiết kế.
Máy biến điện áp và máy biến dòng (tt)