Đơn Vị Công Suất định Mức Của Máy Biến áp - Cùng Hỏi Đáp

Chuong5 MAYBIENAP

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (756 KB, 24 trang )

Chương 5. Máy biến ápCHƯƠNG 5MÁY BIẾN ÁP§5.1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP5.1.1. Định nghĩa:Máy biến áp là một thiết bị điện từ tĩnh, làm việc theo nguyên lí cảm ứng điện từ, dùng đểbiến đổi điện áp của hệ thống dòng điện xoay chiều từ điện áp cao xuống điện áp thấp hoặc ngượclại từ điện áp thấp lên điện áp cao nhưng vẫn giữ nguyên tần số.- Đầu vào của MBA nối với nguồn điện gọi là sơ cấp, các đại lượng và thông số của sơ cấptrong ký hiệu có ghi chỉ số “1”.- Đầu ra của MBA nối với tải gọi là thứ cấp, các đại lượng và thông số của thứ cấp trong kýhiệu có ghi chỉ số “2”.- Nếu điện áp thứ cấp lớn hơn điện áp sơ cấp thì MBA là máy tăng áp, và ngược lại gọi làmáy giảm áp.- Ký hiệuhoặcHình 5-15.1.2. Các đại lượng định mứcCác đại lượng định mức của máy biến áp do nhà chế tạo qui định để cho máy có khả năng làmviệc lâu dài và hiệu quả nhất. Ba đại lượng định mức cơ bản là:a) Điện áp định mức♦ Điện áp sơ cấp định mức (U1đm) : là điện áp đã qui định cho dây quấn sơ cấp, đối vớimáy biến áp ba pha là điện áp dây.♦ Điện áp thứ cấp định mức (U2đm) : là điện áp giữa các đầu ra của dây quấn thứ cấp, làđiện áp dây (đối với máy biến áp ba pha), khi dây quấn thứ cấp hở mạch(không nối với tải) và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức.Điện áp định mức quyết định việc bố trí cuộn dây cách điện giữa các lớp, các vòng dây vàlựa chọn vật liệu cách điện để đảm bảo an toàn. Đơn vị của điện áp định mức là V hoặckV

b) Dòng điện định mứcDòng điện định mức là dòng điện đã qui định cho mỗi dây quấn của máy biến áp, ứngvới công suất định mức và điện áp định mức.Khi điện áp đặt vào cuộn dây sơ cấp là định mức và nối cuộn dây thứ cấp với tải có côngsuất bằng công suất định mức của máy biến áp thì dòng điện đo được trên cuộn dây sơ104Chương 5. Máy biến ápcấp là dòng điện sơ cấp định mức (I1đm) và dòng điện đo được trên cuộn dây thứ cấp làdòng điện thứ cấp định mức (I2đm).Đối với máy biến áp một pha, dòng điện định mức là dòng điện pha. Đối với máy biến ápba pha, dòng điện định mức là dòng điện dây.Khi thiết kế máy biến áp người ta căn cứ vào dòng điện định mức để chọn tiết diện dâyquấn sơ cấp và thứ cấp, xác định các tổn hao năng lượng trong điện trở dây quấn để đảmbảo nhiệt độ tăng trong q trình sử dụng khơng vượt q giới hạn an tồn.c) Cơng suất định mứcCơng suất định mức của máy biến áp là cơng suất biểu kiến thứ cấp ở chế độ làm việcđịnh mức. Cơng suất định mức ký hiệu là Sđm, đơn vị là VA hoặc kVA.Đối với máy biến áp một pha, cơng suất định mức là:Sđm = U2đm* I2đm = U1đm* I1đm(5-1)Đối với máy biến áp ba pha, cơng suất định mức là:Sđm = 3 U2đm* I2đm =3 U1đm* I1đm(5-2)Ngồi ra trên nhãn máy còn ghi tần số, số pha, sơ đồ nối dây, điện áp ngắn mạch, chế độlàm việc… của máy biến áp đó.Trong q trình sử dụng, nếu ta đặt máy biến áp hoạt động ỏ mức dưới các đại lượng địnhmức thì sẽ gây lãng phí khả năng làm việc của máy biến áp, còn nếu ta đặt trên các đạilượng định mức thì gây nguy hiểm, dễ gây hỏng máy biến áp.5.1.3. Vai trò của máy biến áp:Máy biến áp có vai trò rất quan trọng trong hệ thống điện, dùng để truyền tải và phân phốiđiện năng.- Để nâng cao khả năng truyền tải và giảm tổn hao trên đường dây, người ta nâng cao điệnáp truyền tải trên dây, vì vậy ở đầu đường dây truyền tải cần đặt MBA tăng áp.- Điện áp tải thường nhỏ, vì vậy ở cuối đường dây phải đặt MBA hạ áp.- Ngồi ra MBA còn được sử dụng trong các lò nung, hàn điện, làm nguồn cho các thiết bịđiện, điện tử, đo lường.Máyphát điện∼Máy biến áptăng ápHộtiêu thụĐườngdây tảiMáy biến ápgiảm ápSơ đồ mạng truyền tải điện đơn giảnHình 5-2105Chương 5. Máy biến ápMột số hình dạng của MBA:§5.2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC5.2.1. Cấu tạoMáy biến áp có hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn.106Chương 5. Máy biến ápHình 5-3. Sơ đồ cấu tạo máy biến áp một phaa) Lõi thépLõi thép máy biến áp dùng để dẫn từ thông chính của máy biến áp, được chế tạo từ nhữngvật liệu dẫn từ tốt, thường là lá thép kỹ thuật điện. Lõi thép gồm hai bộ phận:- Trụ: là nơi để đặt dây quấn.- Gông: là phần khép kín mạch từ giữa các trụ.Trụ và gông tạo thành mạch từ khép kín.Để giảm dòng điện xoáy trong lõi thép, người ta dùng thép lá kỹ thuật điện (dày khoảng0,35mm đến 0,5mm, mặt ngoài có sơn cách điện ) ghép lại với nhau thành lõi thép.Các dạng lá thép kỹ thuật điện thường sử dụng có hình chữ U, E, I như hình vẽ:Hình 5-4. Hình dạng lá thép kỹ thuật điện107Chương 5. Máy biến ápb) Dây quấn máy biến áp.Dây quấn máy biến áp thường được chế tạo bằng dây đồng (hoặc nhôm), có tiết diện trònhoặc hình chữ nhật, bên ngoài dây dẫn có bọc cách điện.aφbHình 5-5. Mặt cắt ngang dây quấn máy biến ápDây quấn gồm nhiều vòng dây và được lồng vào trụ lõi thép. Giữa các vòng dây, giữa cácdây quấn có cách điện với nhau và dây quấn có cách điện với lõi thép. Máy biến ápthường có hai hoặc nhiều dây quấn. Khi các dây quấn đặt trên cùng một trục thì thôngthường dây quấn điện áp thấp được đặt sát trụ thép, các dây quấn khác đăt lồng ra bênngoài, làm như vậy để giảm được vật liệu cách điệnĐể làm mát và tăng cường cách điện cho máy biến áp, người ta thường đặt lõi thép và dâyquấn trong một thùng dầu máy biến áp. Máy biến áp công suất lớn, vỏ thùng dầu có cánhtản nhiệt, ngoài ra còn có các đầu sứ để nối các đầu dây quấn ra ngoài, bộ phận chuyểnmạch để điều chỉnh điện áp, rơle hơi để bảo vệ máy.5.2.2. Nguyên lý làm việc:Nguyên lý làm việc của máy biến áp dựa trên cơ sở của hiện tượng cảm ứng điện từ. Nếu đặtvào cuộn dây sơ cấp của máy biến áp một dòng điện xoay chiều với điện áp U1, dòng điện xoaychiều qua cuộn dây sẽ tạo ra trong mạch từ một từ thông φ. Do mạch từ khép kín nên từ thôngnày móc vòng qua các cuộn dây của máy biến áp và sinh ra trong đó sức điện động.dφVới cuộn sơ cấp là: e1 = - N1(5-3)dtdφVới cuộn thứ cấp là: : e2 = - N2(5-4)dtHình 5-6. Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy biến ápGiả sử từ thông của máy biến áp biến đổi hình sin đối với thời gian:φ = φmaxsinωt (Wb)(5-5)108Chương 5. Máy biến ápSau khi lấy đạo hàm và thay vào phương trình 5-3 ta được:e1 = - ωN1 φmaxcosωtVìcosωt = - sin(ωt – 900 )Nên e1 = ωN1 φmax sin(ωt – 900 )(5-6)0Biểu thức này chỉ rõ sức điện động e1 chậm pha so với từ thông φ một góc 90 .Trị số cực đại của sức điện động E1max:E1max = ωN1 φmax(5-7)Chia E1max cho 2 và thay ω = 2Πf, ta được biểu thức của sức điện động hiệu dụng sơ cấp:E2ΠfN1 φmax = 4,44fN1φmaxE1 = 1max =(5-8)22Thực hiện thay thế, tính toán tương tự đối với phương trình 5-4 ta được biểu thức sức điện độnghiệu dụng của cuộn thứ cấp như sau:(5-9)E2 = 4,44fN2 φmaxKhi máy biến áp không nối với tải, dòng điện trong cuộn thứ cấp I2 = 0, sức điện động sơ cấpthực tế gần bằng điện áp sơ cấp E1 ≈ U1 và sức điện động thứ cấp gần bằng điện áp thứ cấp E2 =U20 (U20 là điện áp thứ cấp không tải).Tỷ số các sức điện động trong cuộn dây của máy biến áp một pha, tức là tỷ số điện áp của nó khikhông có tải, được rút ra từ biểu thức 5-8 và 5-9, bằng tỷ số vòng dây của các cuộn dây.Tỷ số này kí hiệu bằng chữ k và gọi là tỷ số biến áp:EUNk= 1 = 1 = 1E2U 20N2- Nếu N1 > N2 suy ra k > 1 , U1 > U2, máy biến áp hạ áp.- Nếu N1 < N2 suy ra k < 1 , U1 < U2, máy biến áp tăng áp.Khi nối cuộn dây thứ cấp với tải, nếu bỏ qua tổn hao trong máy biến áp, có thể coi gần đúng quanhệ giữa các đại lượng sơ cấp và thứ cấp như sau:U1I1 = U2I2U1 I 2==kHoặc:U 2 I1§5.3. QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MÁY BIẾN ÁP5.3.1. Quá trình điện từ trong máy biến áp:Hình 5.7109Chương 5. Máy biến ápTa xét máy biến áp một pha hai dây quấn như hình 5-8. Khi đặt vào cuộn dây sơ cấp mộtđiện áp xoay chiều u1 thì trong đó sẽ có dòng điện i1 chạy qua. Nếu phía thứ cấp có tải thìsẽ có dòng điện i2 chạy qua. Những dòng điện i1 và i2 sẽ tạo nên các sức từ động i1N1 vài2N2. Phần lớn từ thông do i1N1 và i2N2 sinh ra được khép mạch qua lõi thép móc vòngvới cả dây quấn sơ cấp và thứ cấp và được gọi là từ thông chính φ. Từ thông chính gâynên trong các dây quấn sơ cấp và thứ cấp những sức điện động chính là:dψdφe1 = − N 1=− 1dtdt(5-10)dψ 2dφe2 = − N 2=−dtdtTrong đó: ψ 1 = N 1φ và ψ 2 = N 2φ là từ thông móc vòng với dây quấn sơ cấp và thứ cấpứng với từ thông chính φ.Còn một phần rất nhỏ từ thông do các sức từ động i1N1 và i2N2 sinh ra bị tản ra ngoài lõithép và khép mạch qua không khí hay dầu gọi là từ thông tản. Từ thông tản cùng gây nêncác sức điện động tản tương ứng:dφdψ σ 1eσ 1 = − N 1 σ 1 = −dtdt(5-11)dφσ 2dψ σ 2=−eσ 2 = − N 2dtdt5.3.2. Phương trình cân bằng điện áp cuộn sơ cấp:Xét mạch điện sơ cấp gồm : u1 , e1 , điện trở dây quấn R1 , L1Áp dụng định luật Kirchhoff 2 cho vòng mạch:- Viết dưới dạng trị số tức thời:diR1 .i1 + L1 . 1 = u1 + e1dtdiu1 = R1 .i1 + L1 . 1 − e1dt

- Viết dưới dạng phức:R1i1~L1e1u1Hình 5-8U& 1 = R1 .I&1 + j . X1 .I&1 − E& 1 = Z1 .I&1 − E& 1Với:~(5-12)Z1 = R1 + j.ω .L1 = R1 + j. X1X1 = ω .L1 là điện kháng tản của dây quấn sơ cấp5.3.3. Phương trình cân bằng điện áp cuộn thứ cấp:Xét mạch điện thứ cấp gồm : e2 , điện trở dây quấn R2 , L2Áp dụng định luật Kirchhoff 2 cho vòng mạch:- Viết dưới dạng trị số tức thời:diR2 .i2 + L2 . 2 + u2 = −e2dtdiu2 = −e2 − R2 .i2 + L2 . 2dti2~R2L2u2e2ZtHình 5-9110Chương 5. Máy biến áp- Viết dưới dạng phức:U& 2 = − E& 2 − R2 .I&2 + j. X 2 .I&2 = − E& 2 − Z2 .I&2 = Ztaûi .I&2(5-13)Với: Z 2 = R2 + j.ω .L2 = R2 + j. X 2X 2 = ω .L2 là điện kháng tản của dây quấn thứ cấp5.3.4. Phương trình cân bằng sức từ động:- Vì điện trở cuộn dây sơ cấp nhỏ nên sụt áp R1.I1 nhỏ hơn nhiều E1 nên có thể xem gần đúngU1 ≈ E1 .- Vì U1 = const nên E1 = const ⇒ φmax = const• Ở chế độ không tải φ = φ0 = i0 .W1 , trong đó i0 là dòng không tải của sơ cấp.• Ở chế độ có tải φ = i1 .W1 − i2 .W2• φmax = const nên sức từ động lúc không tải bằng sức từ động lúc có tảii0 .W1 = i1 .W1 − i2 .W2Chia 2 vế cho W1Wii0 = i1 − i2 . 2 = i1 − 2 = i1 − i'2W1kHoặc i1 = i0 − i'2ii'2 = 2 là dòng điện i2 đã qui đổi về phía sơ cấpk- Phương trình sức từ động viết dưới dạng phức: I&1 = I&0 + I&' 2(5-14)Phương trình sức từ động cho ta thấy rõ quan hệ giữa dòng điện sơ cấp và thứ cấp.Hệ 3 phương trình điện áp sơ cấp, điện áp thứ cấp và sức từ động ta có mô hình toán học củaMBA.§5.4. MẠCH ĐIỆN THAY THẾ MÁY BIẾN ÁPTừ Mô hình toánU& 1 = Z 1 .I&1 − E&1(5 − 12)&(5 − 13)U 2 = − E& 2 − Z 2 .I&2I& = I& + I&(5 − 14)'20 1Ta xây dựng Mô hình mạch là mạch điện thay thế phản ánh đầy đủ quá trình năng lượng trong MBA,giúp thuận lợi cho việc tính toán, thí nghiệm và nghiên cứu MBA.5.4.1. Qui đổi các đại lượng thứ cấp về sơ cấp:Nhân (5-13) với k, ta được:I&k.U& 2 = −k.E& 2 − k.Z2 .I&2 = − k.E& 2 − k2 .Z2 . 2k&&&Đặt: E'2 = k.E2 = E1U& ' = k.U&22Z '2 = k .Z2 R'2 = k .R2Phương trình (5-15) trở thành:22X '2 = k . X 22(5-15)(5-16)(5-17)(5-18)111Chương 5. Máy biến ápU& '2 = − E& 1 − Z '2 .I&'2U& 2 = Zt .I&2 nhân (5-13) vế với k, ta đượcI&k.U& 2 = k.Z t .I&2 = k2 .Zt . 2k&&⇔ U 2 = Z 't . I '2Mặt khác:(5-19)Trong đó: Z 't = k 2 .Z t ; R't = k 2 .Rt ; X 't = k 2 . X t(5-20)I&I&'2 = 2(5-21)k- Phương trình (5-19) là phương trình điện áp thứ cấp qui đổi về sơ cấp.- (5-16), (5-17), (5-18), (5-19), (5-20) và (5-21) là các công thức qui đổi các đại lượng thứ cấpvề sơ cấp.5.4.2. Mạch điện thay thế máy biến áp:Xét MBA trường hợp không tải, ta thấy ngoài một lượng tổn hao do sụt áp trên dây quấn sơcấp, trong MBA còn tổn hao một lượng năng lượng để từ hóa lõi thép.Khi không tải: phương trình điện áp sơ cấpU& 1 = Z1 .I&1 − E& 1• Trong đó:Z .I& là sụt áp trên dây quấn sơ cấp11− E& 1 chính là sụt áp trên tổng trở từ hóa Zth . Đặc trưng cho quá trình từ hóa lõi thép là từ thôngchính φ do I0 sinh ra, nên:− E& = − Z .I& = ( R + j. X ).I&1thth0th0Ø Rth : là điện trở từ hóa đặc trưng cho tổn hao sắt từ∆Pst = Rth .I0Ø Tổn hao sắt từ:Mô hình toán của MBA bây giờ trở thành:U& 1 = Z 1 .I&1 + Z th .I&0(5 − 22)&&&(5 − 23)U ' 2 = Z th .I 0 − Z ' 2 .I ' 2&&&(5 − 24)I 1 = I 0 + I ' 2Hệ (5-22), (5-23), (5-24) chính là hệ của 2 phương trình Kirchhoff 2 và 1 phương trình Kirchhoff1 viết cho mạch có dạng hình 5-6 (a)2R1R’2X1.I1X’2.I’2Rth.~U1Z’tR1.U’2Xth.I0a)Hình 5-10R’2X1.~U1X’2Z’tb)112Chương 5. Máy biến áp- Nhánh có Zth = Rth + jXth gọi là nhánh từ hóa.- Thông thường, Zth rất lớn nên I0 rất nhỏ. Nếu bỏ qua nhánh từ hóa, ta có sơ đồ thay thế gầnđúng của MBA như hình 5-6 (b).• Trong đó:Rn = R1 + R'2X n = X 1 + X '2§5.5. XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ MÁY BIẾN ÁP5.5.1. Thí nghiệm không tải:- Để xác định tỷ số k của MBA, tổn hao sắt từ và các thông số của máy ở chế độ không tải.- Sơ đồ mạch thí nghiệm như hình 5-11Hình 5.11- Ta có các số liệu sau:•Watt kế chỉ công suất không tải: P0 ≈ ∆Pst•Ampe kế chỉ dòng không tải: I0•Các Vôn kế V1 và V2 chỉ các giá trị U10 và U20 .Từ các số liệu trên ta tính được:Ø Tỷ số MBA k:WEUk= 1 = 1 ≈ 1W2E2 U 20Ø Dòng điện không tải phần trăm: I0%II0 % = 0 .100 = 3% ÷ 10%I ñmØ Điện trở không tải: R0PR0 = 20 = R1 + RthI 0Vì Rth 〉〉 R1 nên lấy gần đúng R0 ≈ RthØ Tổng trở không tải: Z0UZ0 = 1ñmGần đúng: Z0 = ZthI0113Chương 5. Máy biến ápØ Điện kháng không tải: X0X0 =Z0 − R022Gần đúng: X 0 = X thØ Hệ số công suất không tải: Cosϕ0P0Cosϕ 0 == 0,1 ÷ 0,3U1ñm .I05.5.2. Thí nghiệm ngắn mạch:- Để xác định tổn hao trên dây quấn (tổn hao đồng) và xác định các thông số của sơ cấp và thứcấp.- Sơ đồ mạch thí nghiệm như hình 5-12Hình 5.12- Điều chỉnh điện áp thí nghiệm Un đặt lên sơ cấp MBA bằng 1 bộ điều chỉnh điện áp.- A1, A2 chỉ dòng điện ngắn mạch sơ cấp và thứ cấp I1n và I2n.- Vôn kế chỉ điện áp ngắn mạch sơ cấp Un.- Watt kế chỉ công suất ngắn mạch Pn ≈ ∆Pcu- Lúc ngắn mạch: U2 = 0, do đó Un là điện áp ngắn mạch rơi trên điện trở dây quấn. Vì Un