Bài giảng Kỹ thuật điện - Chương 7: Máy biến áp - Phạm Hùng Phi

CHƯƠNG VII Máy biến áp 7.1 Khái niệm chung 7.2 Nguyên lý làm việc của MBA 1 pha 7.3 Cấu tạo 7.4 Mô hình toán học của MBA 7.5 Quy đổi và sơ đồ thay thế 7.6 Chế độ không tải và ngắn mạch MBA 7.7 Chế độ làm việc có tải 7.8 MBA 3 pha 7.1 Khái niệm chung về máy biến áp Nguồn Tải Mỏy tăng ỏp Mỏy giảm ỏp S 3 U I=Cùng một công suất truyền tải: - Giảm sụt áp ∆Ud - Giảm tổn hao ∆Pd - Giảm tiết diện dây s Máy biến áp tăng giảm => giảm khối lượng xà, cột => giảm chi phí đầu tư Io SC TC * Cỏc đại lượng định mức (danh định) 1. Cụng suất : 2. Điện ỏp : 3. Dòng điện : I 1đm , I2đm (A, kA) Ký hiệu :U1đm/U2đm (VD: 6/0,22 kV) (VA, kVA)m 2 m 2 mS U I=đ đ đ Chú ý: Các đại lượng Uđm , Iđm trong MBA 3 pha là các đại lượng dây 4. Thụng số khỏc : + Po: Tổn hao cụng suất khụng tải +Pn:Tổn hao cụng suất ngắn mạch U1n1n n 1 m U u % 100 3 10 U + = = ữ đ o o 1 m Ii % 100 1,5 6 I + = = ữ đ m mU I≈ 1đ 1đ I1đm I2đm U1đm U2đm U1đm U2đm (V, kV) 7.2 Nguyên lý làm việc của MBA 1 pha u1~ φ biến thiên
e1 và e2 Giả sử φ = φm sinωt 1 1 d e W dt φ = − 2 2 d e W dt φ = − W1,W2 : số vòng dây sơ và thứ cấp 1 1 me W cos t= − φ ω ω 1 1 me 2 fW= pi φ TQ: 1 1 ee 2E sin( t )= ω + ψ E1 = 4,44fW1 φm
ψe = - 90O 1E = 1 m 2 fW 2 pi φ φ
φ móc vòng qua 2 dây quấn φr 1E ur Ztu1~ i1 sin( t 90 )ω − o W1 W2 Sơ cấp Thứ cấp e1 e2 Tương tự: và tiêu thụ trên tải E2 = 4,44fW2 φm
U1≈ E1 ; U2 ≈ E2 1 2 U U ≈

hệ số BA k < 1

Trong dõy quấn có dũng i2 Zt φKhi nối dây quấn thứ cấp với tải i2 Năng lượng điện xoay chiều lấy vào từ phía sơ cấp thông qua mạch từ chuyển sang phía thứ cấp Nếu bỏ qua tổn hao trên dây quấn 1 2 E E = 1 2 W k W = máy tăng áp k > 1
máy hạ áp i1 u2u1~ W1 W2 Sơ cấp Thứ cấp e1 e2 7.3 Cấu tạo 1. Lõi thép: Mạch từ, ghép từ các lá thép kỹ thuật điện, gồm 2 bộ phận - Gông: là phần nối liền mạch từ các trụ - Trụ: là phần lõi thép có lồng dây quấn 2. Dây quấn: Mạch điện 3. Vỏ máy - Thùng BA - Nắp máy Trụ Gông SC TC 7.4 Các phương trình cơ bản trong MBA (mô hình toán học) a. Phía sơ cấp 1. Phương trình cân bằng điện - ΦC : móc vòng qua 2 d/q - Φt1 : do i1 sinh ra chỉ móc vòng riêng với d/q sơ cấp Φt1C 1 1 d e W dt φ = − t1 t1 1 d e W dt φ = −
e1 và et1 1 1 t1 1 1u e e R i= − − + et1 e1u1 i1 R1 i2 φC Zt u2 i1 u1~ W1 W2 e1 e2 b. Phía thứ cấp : Phương trình cân bằng điện áp - Sơ đồ thay thế dạng phức: Tương tự : 1 11 1 1 1 1 1 U E I (R jX ) E I Z • • • • • = − + + = − + t1 1 1 d di di dt ψ = − Lt1 1 t1 t1 di e L dt = −
1 1 1 t1 1 1 di u e L R i dt = − + + E1U1 I1 X1R1 2 2 2 22 2 2 2U E I (R jX ) E I Z • • • • • = − + = − t1 t1 1 d e W dt φ = − t1d dt ψ = − 1 1 t1 1 1u e e R i= − − + 11R I • +11U E • • = − + 1t1j L I • ω X1 e1u1 i1 Lt1R1 I2 X2 E2 U2 R2 2. Phương trình cân bằng từ không tải : i2 = 0 có tải : i2 ≠ 0 1 2 1 21 2F F W I W I • • • • + = + 1 2 oF F F • • • => + = 1 2 o1 2 1W I W I W I • • • => + = 2 1 o 1 2 II IW W => + =    k ' 1 o 2I I I • • • => = + PT cân bằng từ E1U1 X1R1 ∆U1 Khi bỏ qua ∆U1:
Φ do Fo= W1 Io
Φ do F1 và F2 i2 φC Zt u2 i1 u1~ W1 W2 e1 e2 - I2 ’ ' 2 2 II k • • = − U1 ≈ E1 = 4,44fW1 mΦ = constmΦ U1 = const 7.5 Qui đổi và sơ đồ thay thế 1. Mục đích và điều kiện: 2. Qui đổi : - Thuận tiện cho việc nghiên cứu E2 ’ = E1 Biến đổi E2
E2’ = E1 Với 1 2 E k E =
E2’ = kE2 b. Qui đổi dòng điện Điều kiện : 22 2 2 ' ' II E E => =  Tăng s.đ.đ hay điện áp bao nhiêu phải giảm dòng bấy nhiêu Tương tự: U2’ = kU2 - Bảo toàn quá trình năng lượng E2’ I2’ = E2 I2 2 I k = a. Qui đổi sđđ Thường quy đổi dõy quấn thứ cấp về sơ cấp E1U1 I1 X1R1 I2 X2 E2 U2 R2 I2 ’ X2 ’ U2 ’ E2 ‘U1 I1 X1R1 E1 = R2 ’ c. Qui đổi tổng trở Từ PTCB đ/a phía thứ cấp: nhân 2 vế với k và I2 = kI2 ’ Zt’ = k2 Zt 2 2 22 2 2U E jX I R I • • • • = − − 2 2 2 22 2 2 ' k U k E (k R jk X ) I • • • = − + 2 22 2 2 ' ' ' ' 'U E ( R jX ) I • • • = − +PT sau khi qui đổi: Zt ’ Chú ý : Các thông số dây quấn thứ cấp được qui đổi về dây quấn sơ cấp đều có dấu phẩy Io X2 ’R2 ’U2 ’ E2 ’ Sơ đồ thay thế sau quy đổi: 1 o 2 ' I I I • • • = + I2 ’X2’ U1 X1R1 E1 R2 ’ Sơ đồ thay thế của MBA 1 othE Z I • • − = sơ cấp thứ cấp Lõi thép Io ≈ (2 ữ 6)%I1đm Có thể sử dụng sơ đồ thay thế gần đúng : U2 ’U1 I1 R2 ’ I2 ’X2’X1R1 Zt ’ Thay th th thZ (R jX )= + A B I1 Rth R2 ’ I2 ’X2’ U2 ’ U1 X1R1 Xth Zt ’ Io tải Zt ’ ABU • = 7.6 Chế độ không tải và ngắn mạch của MBA 1. Chế độ không tải a. Sơ đồ nguyên lý b. Sơ đồ thay thế U1đm U2đm Io Xth U1đm Io X1R1 Rth c. Tổng trở Zo Zo = ( R1+ Rth )+ j(X1 + Xth) Zo = Ro+ jXo Vì : R1 << Rth X1 << Xth coi Ro ≈ Rth ; Xo ≈ Xth d. Công suất không tải Po : Po = Ro Io 2 e. Hệ số công suất cosϕo : o oo o 1 m o R P cos U I ϕ = = Z đ ≈ 0.1 ữ 0,2
Không nên để MBA làm việc không tải hoặc quá non tải ≈ Rth Io 2 = ∆Pst I1 Rth R2 ’ I2 ’X2’ U2 ’ U1 X1R1 Xth Zt ’ Io 2. Chế độ ngắn mạch a. Ngắn mạch thớ nghiệm Sơ đồ thay thế I1n X2 ’ U1n X1R1 R2’ Tổng trở Zn Zn = ( R1+ R2’)+ j(X1 + X2’) Zn = Rn+ jXn Trong MBA : R1 ≈ R2’ X1 ≈ X2 ’ Rn ≈ 2R1 ; Xn ≈ 2X1 u1n I2n I1n I1 Rth R2 ’ I2 ’X2’ U2 ’ U1 X1R1 Xth Zt ’ Io b. Ngắn mạch sự cố MBA 1 m 1n n UI = đ Z 1 m 1 m n 1 m U I 100 I 100 = đ đ đZ 1 m n 1 m 1 m I 100 I 100 U = đ đ đ Z un% 1 m 1n n II 100 % => = đ u un% ≈ (3 ữ 10) => I1n ≈ (10ữ33) I1đm Thiết bị bảo vệ (Circuit Breaker) cắt MBA khỏi lưới điện khi có sự cố  Sự cố nguy hiểm: cháy, nổ U1 = U1đm 3. Xác định các tham số của MBA bằng thí nghiệm a. Thí nghiệm không tải Sơ đồ: V2 * W * V1 A U10 Đo : AI0 ở U10 ở V1 WP0 ở U20 ở V2 Xác định các tham số : 0 0 2 0 PR I = 10 0 0 U I =Z 2 2 o o oX R= −Z Rth ≈ R0 ; Xth ≈ X0 10 20 Uk U = A1I1đm ở b. Thí nghiệm ngắn mạch: Sơ đồ: Đo : U1n ở V WPn ở I2đm ở A2 Xác định các tham số : n n 2 1 m PR I = đ 1n n 1 m U I =Z đ 2 2 n n nX R= −Z U1 A2 * W * V A1Bộ điều chỉnh U ' n 1 2 RR R 2 ≈ = ' n 1 2 XX X 2 ≈ = định mức Các thành phần của điện áp ngắn mạch : n 1 m nr 1 m R I u % 100 U = đ đ n 1 m nx 1 m X I u % 100 U = đ đ 7.7 Chế độ làm việc có tải 1. Độ biến thiên điện áp thứ cấp và đặc tính ngoài của MBA a. Độ biến thiên điện áp thứ cấp m 2 m U UU% 100 U −∆ = 2đ 2đ (1) nhân tử và mẫu với k ' m 2 m U UU% 100 U −∆ = 1đ 1đ (2) U1đm U2 ’ I1 XnRn Zt ’ . . . . ' 1 11 m 2 n nU U R I jX I= + +đ I1đm U1n XnRn ' 2U ur 1njX I r 1I r ϕ2 1nR I r A BC mU ur 1đ θ Chọn '2U ur làm gốc giả sử tải mang t/c điện cảm thực tế góc θ rất nhỏ ' 1 m 2U trựng phaU ur ur đ U1đm - U2 ’ = AB AC CB= + = RnI1cosϕ2 + XnI1sinϕ2 n 1 2 n 1 2 m R I cos X I sinU% 100 U ϕ + ϕ∆ = 1đ n m n m1 2 2 m m m R I X IIU% [ 100cos 100sin ] I U U ∆ = ϕ + ϕ1đ 1đ 1đ 1đ 1đ unx%unr%β β 1
quá tải β = 1
tải định mức . . . . ' 1 11 m 2 n nU U R I jX I= + +đ có đồ thị véc tơ : hệ số tải 1 2 m m m I I S I I S β = = ≈ 1đ 2đ đ ∆U%= β(unr%cosϕ2+unx%sinϕ2) ∆U% phụ thuộc 3 yếu tố: ∆U% β R R-L R- C - Độ lớn của tải - Tính chất của tải - Thông số MBA ∆U% = f(β, ϕ2) - tải R
ϕ2 = 0 - tải R-L
0 < ϕ2 < 90o - tải R- C
- 90o < ϕ2 < 0 unr% unx% un% R XZ ϕn ∆U% = βun%(cosϕn cosϕ2 + sinϕnsinϕ2) ∆U%= βun%cos(ϕn- ϕ2 ) (β) (ϕ2) (unr%, unx%)
∆U% = βunr%
∆U%R-L> ∆U%R >90o =90o < 90o Nói chung ∆U%R-C < 0 (Rn và xn) b- Đặc tính ngoài U2 = f(I2) 2 2 m U%U (1 )U 100 ∆ = − đ U2 I2 R R-L R-C Giữ U2 không đổi: m 2 m U UU% 100 U −∆ = 2đ 2đ Thay đổi vũng dõy phớa cao ỏp? U2đm f(β,cosϕ2) U2 = f( β,cosϕ2) ∆U% β R - Tải R: thay đổi W1 hoặc W2 - Tải R - L: - Tải R - C: 2. Quá trình năng lượng và hiệu suất của MBA P1 P2P∆∑ 2 1 P P η =
hiệu suất 2 2 P P P η = + ∆∑ Các loại tổn hao: + Tổn hao đồng ∆Pđ = R1I12 + R2’ I2’2 = RnI12 221 n 1 m 1 m I( ) R I I = đ đ ∆Pđ = β2Pn + Tổn hao sắt: ∆Pst = RthI02 ≈ R0I02 ∆Pst = P0 η β + P2 = U2I2cosϕ2 2 2 m 2 m 2 2 m I U I cos I ≈ ϕđ đ đ Sđmβ P2 = βSđm cosϕ2 m 2 2 m 2 n 0 S cos S cos P P β ϕη = β ϕ + β + đ đ βk ηmax 0 k n P P β = P1 P2 ∆Pđ1 ∆Pst ∆Pđ2 Giản đồ năng lượng cosϕ22 cosϕ21 ∆Pđ = β2Pn ∆Pst = P0 2 2 P P P η = + ∆∑ 7.8 Máy biến áp 3 pha 1- Cấu tạo và nguyên lý Cỏc đại lượng định mức: - Cụng suất định mức Sđm : ba pha - Dũng, ỏp định mức Uđm, Iđm: đại lượng dõy - Tổn hao cụng suất P0, Pn : ba pha - Cỏc đại lượng khỏc: un%, i0% 2- Tổ nối dây a. Định nghĩa: Y/Y-12 Cỏch nối d/q SC cỏch nối d/q TC số (giờ) Y/∆ - 11 ABU ur abU ur 12x30o = 360o ABU ur abU ur 11x30o = 330o 3. Hệ số biến áp 1 m d m Uk U = đ 2đ 1f m 1 f m 2 U Wk U W = = đ 2fđ 4. Sự làm việc song song của MBA 3 pha a. Mục đích: - Đảm bảo tính kinh tế - Liên tục cung cấp điện b. Điều kiện: - Cùng tổ nối dây - Hệ số biến áp bằng nhau - Điện áp ngắn mạch bằng nhau (sai khỏc khụng quỏ 10%) Ví dụ : MBA 3 pha có số liệu : Sđm = 500 kVA; U1đm /U2đm = 22/0,4 kV; Po = 900 W; Pn = 3600 W; io % = 2; un% = 4; Tìm : - Các thông số sơ đồ thay thế dây quấn nối ∆/Y- 11 - ∆ U% và hiệu suất η khi MBA làm việc với β = 0,8; hệ số cosϕ2 = 0,8 tải điện cảm - Điện áp U2 khi tải định mức Giải 1. Thông số sơ đồ thay thế nf n 2 1 mf PR I = đ 1 m 1 mf II 3 = đ đSơ cấp nối ∆ 1 mI =đ 1 mfI =đ=m m S 3U đ 1đ nR = 1nf n 1 mf U I = đ Z 2 2 n n nX R= −Z 1nfU = 1nfU = 1nfn 1 mf U I = đ Z nX = ' n 1 2 RR R 2 ≈ = = ' n 1 2 XX X 2 ≈ = = 2 2 2 f X 'X k = 1f f 2f Uk U = = n 1 mf u % U 100 đ 2R = 22 f R ' k of o 2 of PR I = 1of o of U I = =Z 2 2 o o oX R= −Z ofI = = oX = th oR R≈ = th oX X≈ = oR = o 1 mf i % I 100 đ oR = =oZ th oX X 144.153≈ = Ωth oR R 12.985≈ = Ω ocos ϕ = = Chú ý : 1R 10, 45= Ω 1X 57= Ω o o R = Z o 1 m o P 3U Iđ 2. Tìm ∆ U% và hiệu suất η ∆U%= β(unr%cosϕ2+unx%sinϕ2) cosϕ2 = 0,80
sinϕ2 = 0,6 n 1 m nr 1 m R I u % 100 U = đ đ n 1 m n 1 m n I R100 U = đ đ Z Z n n n R u %= Z n nx n n X u % u %= Z ∆U% = m 2 2 m 2 n 0 S cos S cos P P β ϕη = β ϕ + β + đ đ = = 2 2 m U%U (1 )U 100 ∆ = − đ 3. Tìm U2 = 7.9 Máy biến áp đặc biệt 1. Máy biến áp tự ngẫu a. Sơ đồ nguyên lý b. Đặc điểm - hệ số BA : 1 1 2 2 U Wk U W = = 2 2 1 1 WU U W => = - Năng lượng chuyển từ SC sang TC theo 2 đường-> Kích thước nhỏ gọn U1 U2 W1 W2 A khi A thay đổi U2 thay đổi từ: 0 ữ U1đm U1 = 220 V U2 = 0ữ250 V W1 W2 A U1 U2 c. Phạm vi sử dụng - Cụng suất vừa và nhỏ - Cụng suất lớn Trờn nhón MBATN ở PTN 2 V cao 1 WU U W => = - hệ số BA : 1 1 2 2 U Wk U W = = 2. Máy biến áp đo lường a. Máy biến điện áp * Sơ đồ nguyên lý * Đặc điểm V Ucao W1 W2 - 2 đầu dq thứ cấp luôn nối với Vôn kế U2đm = 100 V Khụng tải b. Máy biến dòng điện a. Sơ đồ nguyên lý b. Đặc điểm - hệ số BD : 1 2i 2 1 A I W Ik I W I = = = lớn 1 A 2 WI I W => = lớn - 2 đầu dq thứ cấp luôn nối với A A I lớn W1 W2 1 hoặc 2 vũng - I2đm = 5A -> MBA 100/5, 200/5, 1000/5, .