Bài giảng Vật lý công nghệ 1 - Chương 7: Máy biến áp

28/04/2016 1 Phần II. MÁY ĐIỆN Bài giảng Vật lý công nghệ 1 PGS. TS Nguyễn Hồng Quảng Trung tâm Thực hành thí nghiệm Chương 7. MÁY BIẾN ÁP 1. Khái niệm máy biến áp (MBA) 2. Công dụng của MBA 3. Cấu tạo máy biến áp 4. Nguyên lý hoạt động của MBA 5. Sơ đồ thay thế MBA trong mạch điện 6. Các chế độ hoạt động của MBA 7. Hiệu suất máy biên áp 1.Khái niệm máy biến áp (MBA) Khái niệm MBA Máy biến áp là thiết bị điện từ TĨNH dùng để biến đổi điện áp của dòng điện xoay chiều mà không làm thay đổi tần sô ́ của nó. Ky ́ hiệu:  Vì sao cần biến đổi điện áp?  Vì sao cần biến đổi điện áp? 2. Công dụng máy biến áp Sản xuất Phân phối Tiêu thụ Truyền tải Trạm biến áp phân phối điển hình 2. Công dụng máy biến áp Trống biến áp (transformer drum) 37.5KVA Máy biến áp 3 pha 750V/220V (thường dùng cho các công sở) 2. Công dụng máy biến áp Biến áp gia đình, dùng để ổn định điện áp ra 110V/220V Máy biến áp cỡ nhỏ 2. Công dụng máy biến áp  Tăng điện áp khi nào?  Hoà điện vào lưới điện quốc gia  Trước khi truyền điện đi xa  Cần giảm dòng điện để đưa vào máy đo  Giảm điện áp khi nào?  Đưa điện từ lưới điện vào mạng phân phối  Phù hợp điện áp định mức của thiết bị điện  Cần tăng dòng điện (máy hàn, vôn kế)  Vì sao cần biến đổi điện áp? 2. Công dụng máy biến áp Hình ảnh bên trong một MBA 3 pha và hình ảnh cắt dọc các bộ phận chính của nó 3. Nguyên tắc cấu tạo của MBA  Lõi thép (dẫn từ): Gồm các lá thép KTĐ mỏng (0.5mm) sơn cách điện, ghép sát với nhau.  Phần khung: Nơi luồn các cuộn dây điện  Phần gông: khép kín mạch từ  Các cuộn dây (dẫn điện): Làm từ vật liệu dẫn điện tốt (Cu hoặc Al) được sơn cách điện, quấn sát nhau, từ trong ra ngoài  Thường gồm 2 cuộn: Sơ cấp (nối với nguồn) và thứ cấp (nối với tải) có số vòng khác nhau. 3. Nguyên tắc cấu tạo của MBA Lõi thép hình chữ E Lõi thép hình chữ V Làm từ các lá thép Kỹ thuật điện mỏng, sơn cách điện ghép sát nhau Xem sản xuất lõi thép máy biến áp 3. Nguyên tắc cấu tạo của MBA Dây quấn 3 pha Dây quấn 1 pha Được làm từ dây dẫn điện tốt (Cu) được bọc sơn cách điện 3. Nguyên tắc cấu tạo của MBA Máy quấn dây biến áp 3. Nguyên tắc cấu tạo của MBA 4. Nguyên lý hoạt động của MBA Dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ (cụ thể là hiện tượng hô ̃ cảm giữa cuộn dây) 4. Nguyên lý hoạt động của MBA                         2 2sin2 11 2 2sin 01 .2 1 2cos 01 .2 11 2sinsin 00       ftEe ftNfe ftNf dt d Ne ftt 01011 44,4 2 2  fNfNE  # Sư biến đổi từ thông trong mạch tạo ra suất điện động tự cảm trong cuộn sơ cấp. 4. Nguyên lý hoạt động của MBA 02022 44,4 2 2  fNfNE                     2 2sin2 2 2sin.2 2cos.2 22 022 0222      ftEe ftNfe ftNf dt d Ne Tương tư, sư biến đổi từ thông trong cuộn thứ cấp cũng sinh ra suất điện động hỗ cảm trong cuộn thứ cấp. 4. Nguyên lý hoạt động của MBA 2 1 2 1 N N E E  Như vậy: Nếu N2 = 10 N1 thì U2 = 10 U1 Nếu N1=10 N2 thì U1 = 10 U2 2 1 2 1 222 111 2 1 N N E E ZIE ZIE U U    và Bằng cách thay đổi số vòng dây của cuộn dây sơ cấp và thứ cấp, chúng ta có thể biến đổi điện áp ở đầu ra so với điện áp đầu vào: Vì sao cần sơ đồ thay thế ? # Trong mạch điện có máy biến áp, mạch điện sơ cấp và thứ cấp không kết nối  Không thể giải mạch điện # Sơ đồ thay thế chính là mô hình hóa mạch điện MBA 5. Sơ đồ thay thế máy biến áp Căn cứ lập sơ đồ thay thế: tương đương năng lượng # Cân bằng điện áp sơ cấp # Cân bằng điện áp thứ cấp # Cân bằng sức từ động 5.1 Phương trình cân bằng điện áp sơ cấp: Hay: Sơ đồ mạch điện sơ cấp 5. Sơ đồ thay thế máy biến áp Sơ đồ mạch điện thứ cấp 5.2 Phương trình cân bằng điện áp thứ cấp: Định luật KS về thế 5. Sơ đồ thay thế máy biến áp Hay: Điện áp rơi thường bé nên có thể coi 5.3 Phương trình sức từ động Hay: 5. Sơ đồ thay thế máy biến áp Sơ đồ đầy đủ: Sơ đồ rút gọn, với Hệ phương trình cân bằng 5. Sơ đồ thay thế máy biến áp Máy biến áp có thể làm việc ở 3 chế độ : 6. Chế độ làm việc của máy biến áp 6.1 Chê ́ độ không tải (dòng lối ra I2 = 0) 6.2 Chê ́ độ ngắn mạch (tải lối ra Zt = 0) 6.3 Chê ́ độ có tải (thay đổi độ lớn và tính chất)  Mỗi chế độ có đặc điểm và phạm vi ứng dụng. Sau đây ta sẽ xem xét từng chế độ làm việc ! 6. Chế độ làm việc của máy biến áp Đầu ra tải để hở (I2=0)  Sơ đồ thay thế : Dòng điện sơ cấp không tải : trong đó R1 là điện trở sơ cấp, Rth là điện trở nhánh từ hoá, X1 là cảm kháng cuộn sơ cấp và Xth là cảm kháng nhánh từ hoá. 6.1 Chế độ không tải : 6. Chế độ làm việc của máy biến áp Chế độ không tải: 6. Chế độ làm việc của máy biến áp 6. Chế độ làm việc của máy biến áp Sơ đồ thay thế 6.2 Chế độ ngắn mạch : Lối ra nối tắt (Zt = 0) Trong đó: 6. Chế độ làm việc của máy biến áp 6. Chế độ làm việc của máy biến áp Dòng điện ngắn mạch: Có độ lớn: lớn gấp 10-25 lần gia ́ trị định mức  rất nguy hiểm Điện áp thứ cấp U2 = 0 6. Chế độ làm việc của máy biến áp Thí nghiệm ngắn mạch MBA Mục đích: Kiểm tra giới hạn an toàn của MBA Sơ đồ bố trí thí nghiệm ngắn mạch MBA 6. Chế độ làm việc của máy biến áp Thí nghiệm ngắn mạch MBA Mục đích: Kiểm tra giới hạn an toàn của MBA Điện áp ngắn mạch Tổng trở ngắn mạch Điện trở ngắn mạch Điện kháng ngắn mạch 6. Chế độ làm việc của máy biến áp Ứng dụng chế độ ngắn mạch MBA # Kiểm tra giới hạn an toàn của MBA # Sử dụng trong máy hàn điện (hồ quang) 6. Chế độ làm việc của máy biến áp  Sơ đồ thay thế có tải Tuỳ thuộc vào tính chất, giá trị của tải mà các đại lượng đặc trưng cho MBA như tỷ số biến áp, công suất, hiệu suất của MBA sẽ thay đổi theo. 6.3 Chế độ thông thường (có tải) 6. Chế độ làm việc của máy biến áp Sơ đồ thay thế MBA có tải Tuỳ thuộc vào tính chất, giá trị của tải mà các đại lượng đặc trưng cho MBA như tỷ số biến áp, công suất, hiệu suất của MBA sẽ thay đổi theo. 6.3 Chế độ thông thường (có tải) Đặc điểm MBA chế độ có tải 6. Chế độ làm việc của máy biến áp Hệ số tải kt được định nghĩa: Biến thiên điện áp thứ cấp theo tải: Hay: 6. Chế độ làm việc của máy biến áp Đường đặc tính ngoài của MBA ở chế độ có tải Biến thiên điện áp thứ cấp theo tải Đường đặc trưng ngoài Các tổn hao trong máy biến áp  Tổn hao đồng: do sự toả nhiệt trên các cuộn dâu sơ cấp và thứ cấp  Tổn hao sắt từ: do sự tản mát từ thông trong lõi sắt và trong không khí 7. Hiệu suất của máy biến áp 7. Hiệu suất của máy biến áp a) Tổn hao đồng: Là tổn hao do sự tỏa nhiệt trong các cuộn dây theo hiệu ứng Joule – Lenz: 7. Hiệu suất của máy biến áp b) Tổn hao sắt từ : Do sự tản mát từ thông trong lõi thép và không khí, không phụ thuộc tải mà phụ thuộc vào từ thông chính: Sơ đồ thay thế MBA Giản đồ năng lượng MBA 7. Hiệu suất của máy biến áp c) Hiệu suất của MBA: với là công suất tác dụng lối ra là hệ số tải