Bài giảng Máy điện - Chương 1: Máy biến áp - Đặng Quốc Vương

Bộ Mụn Thiết Bị Điện – Điện Tử Viện Điện – Trường Đại Học Bỏch Khoa Hà Nội Giảng viờn: Tiến sĩ Đặng Quốc Vương Email: vuong.dangquoc@hust.edu.vn Phone: +84-963286734 1 1 2 GIỚI THIỆU CHUNG !  Cung cấp cho sinh viờn kiến thức cơ bản về mỏy điện. !  Sau khi học xong học phần này sinh viờn hiểu rừ cấu tạo và nguyờn lý làm việc của cỏc loại mỏy điện, mụ hỡnh toỏn mụ tả cỏc quỏ trỡnh vật lớ trong mỏy điện và cỏc đặc tớnh chủ yếu của cỏc loại mỏy điện. !  Nắm được phạm vi ứng dụng của cỏc loại mỏy điện. 1. Mục đớch 2. Tài liệu tham khảo !  Bài giảng: Mỏy điện (nhúm Mỏy điện – BM Thiết bị điện - Điện tử) !  Sỏch tham khảo: - Bài giảng MĐ. PGS Phạm Văn Bỡnh, Ths. Lờ Minh Tiệp, TS. Đặng Quốc Vương - Mỏy điện. Tập 1 & 2. Bựi Đức Hựng. Triệu Việt Linh. NXB Giỏo dục. Hà nội 2007 - Mỏy điện 1 & 2. Vũ Gia Hanh, Trần Khỏnh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sỏu MÁY ĐIỆN I 3 Nội dung Chương 1. Mỏy biến ỏp Chương 3. Mỏy điện khụng đồng bộ Chương 4. Mỏy điện đồng bộ Chương 5. Mỏy điện một chiều Chương 2. Những vấn đề chung về MĐ quay I. Tổng quan về hệ thống năng lượng điện Nội dung Chương 1. Mỏy biến ỏp 4 II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp III. Quan hệ điện từ trong Mỏy biến ỏp IV. Cỏc chế độ làm việc trong Mỏy biến ỏp V. Mỏy biến ỏp ba pha I. Tổng quan về hệ thống năng lượng điện Nội dung 5 II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp III. Quan hệ điện từ trong Mỏy biến ỏp IV. Cỏc chế độ làm việc trong Mỏy biến ỏp V. Mỏy biến ỏp ba pha Chương 1. Mỏy biến ỏp 6 1.1. Hệ thống năng lượng điện Nhà mỏy điện MBA truyền tải Nguồn phỏt Đ dõy truyền tải Khu vực tiờu thụ điện năng TBA truyền tải TBA phõn phối Đường dõy phõn phối điờn Hộ tiờu thụ điện năng I. Tổng quan về HT năng lượng điện (1/6) Thiết bị tự động phõn phối 7 I. Tổng quan về HT năng lượng điện (2/6) 1.2. Cỏc định luật điện từ thường dựng trong mỏy điện a. Định luật cảm ứng điện từ (định luật Faraday) e e Hinh 1.1 !  Khi từ thụng biến thiờn xuyờn qua vũng dõy, trong vũng dõy sẽ cảm ứng sức điện động "  Sđđ cảm ứng trong một vũng dõy được tớnh theo cụng thức Maxwell: "  Trường hợp cuộn dõy cú w vũng, sđđ cảm ứng là: e = d dt e = wd dt = d dt = w (Wb)trong đú, là từ thụng múc vũng của cuộn dõy 8 a. Định luật cảm ứng điện từ (định luật Faraday) (tiếp) !  Khi thanh dẫn chuyển động với vận tốc v, nằm vuụng gúc từ trường sẽ cảm ứng sđđ e theo quy tắc bàn tay phải (hỡnh 1.2): e = Blv, trong đú: - mật độ từ cảm (Wb) - chiều dài của thanh dẫn B l , B v e l v e Hinh 1.2 , B I. Tổng quan về HT năng lượng điện (3/6) 9 ! Thanh dẫn mang dũng điện đặt vuụng gúc với từ trường, thanh dẫn sẽ chịu một lực điện từ tỏc dụng, cú trớ số là b. Định luật lực điện từ , B Fdt i , B Fdt i Fdt = Bil,trong đú: - từ cảm (T) - dũng điện chạy trong thanh dẫn (A) - chiều dài của thanh dẫn (m) i Hinh 1.3 l l B Chiều của Fđt xỏc định theo qui tắc bàn tay trỏi (hỡnh 1.3) I. Tổng quan về HT năng lượng điện (4/6) 10 !  Goi H là cường độ từ trường tạo bởi tập hợp cỏc dũng điện i1; I2; In vqf C là đường cong khộp kớn trong khụng gian bao quanh cỏc dõy dẫn mang tập hợp dũng điện trờn. Theo định luật ampere ta cú: !  Áp dụng vào mạch từ hỡnh 1.4, ta viết như sau: Hinh 1.4 trong đú: - cường độ từ trường trong mạch (A/m) - chiều dài trung bỡnh của mạch từ đo bằng một - là số vũng của cuộn dõy H l w Hl = wi = F !  Dũng điện i tạo tra từ thụng cho mạch từ, gọi là dũng điện từ hoỏ. Tớch số wi gọi là sức từ động. c. Định luật toàn dũng điện I. Tổng quan về HT năng lượng điện (5/6) I C Hdl = nX k=1 ik = F lừi thộp i S l N 11 1.3. Cỏc loại vật liệu dựng trong mỏy điện a. Vật liệu dẫn điện: Cu, Al, hợp kim Cấp cỏch điện Y A E B F H C Nhiệt độ làm việc cho phộp 90 105 120 130 155 180 > 180 7 cấp cỏch điện của vật liệu cỏch điện c. Vật liệu cỏch điện: !  Cường độ cỏch điện cao, chịu nhiệt tốt, tản nhiệt tốt, chống ẩm & bền cơ học !  Phần lớn ở thể rắn : 4 nhúm : "  Chất hữu cơ thiờn nhiờn : giấy, lụa "  Chất vụ cơ : amiăng, mica, sợi thủy tinh "  Cỏc chất tổng hợp "  Cỏc loại men, sơn cỏch điện !  Cỏch điện thể khớ (khụng khớ), thể lỏng (dầu) !  Nhiệt độ tăng quỏ nhiệt độ làm việc cho phộp 8 ~ 10°C => tuổi thọ giảm ẵ (15-20) b. Vật liệu dẫn từ: Vật liệu sắt từ : thộp kỹ thuật điện, gang, thộp đỳc, thộp rốn I. Tổng quan về HT năng lượng điện (6/6) 12 I. Tổng quan về hệ thống năng lượng điện Nội dung II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp III. Quan hệ điện từ trong Mỏy biến ỏp IV. Cỏc chế độ làm việc trong Mỏy biến ỏp V. Mỏy biến ỏp ba pha Chương 1. Mỏy biến ỏp 13 2.1. Định nghĩa II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp (1/29) Y Δ !  Mỏy biến ỏp (MBA) là thiết điện từ tĩnh, làm việc dựa theo nguyờn lý cảm ứng điện từ, dựng để biến đổi hệ thống dũng điện xoay chiều ở điện ỏp này thành một hệ thống dũng điện xoay chiều ở một điện ỏp khỏc nhưng giữ nguyờn tần số !  Ký hiệu MBA trong hệ thống điện lực: 14 !  MBA có vai trò đặc biệt quan trọng trong mọi lĩnh của nền kinh tế !  Là thiết bị đặc biệt quan trọng trong hệ thống truyền tải và phân phối điện năng, giúp giảm tổn hao trên hệ thống truyền tải điện. !  Sử dụng để truyền tải và phõn phối điện năng 2.3. Cụng dụng của MBA 2.2. Vai trũ của MBA MFĐ 3 ữ 21kV MBA tăng ỏp 35, 110, 220, 500 kV MBA hạ ỏp Hộ tiờu thụ 0,4 – 6kV Đường dõy truyền tải II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp (2/29) Cựng cụng suất S, nếu ↑ Ud → Id ↓ dẫn đến: → ∆U = RdId ↓ → trọng lượng, tiết diện chi phi làm dõy dẫn giảm → ∆P = RdI2d ↓ 15 2.3. Cụng dụng của MBA (tiếp) II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp (3/29) !  MBA sử dụng trong cỏc thiết bj chuyờn dụng: "  Trong lũ nung: MBA lũ "  Trong hàn điện: MBA hàn "  Trong thớ nghiệm: MBA thớ nghiệm "  Trong đo lường: Mỏy biến điện ỏp, mỏy biến dũng điện 16 II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp (4/29) Hỡnh ảnh MBA phõn phối (kiểu trạm treo) 17 II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp (5/29) 18 II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp (6/29) Trạm 500KV – Đó Nẵng Trạm 220KV – Quang ngói Trạm 110KV – Đó Nẵng II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp (7/29) II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp (8/29) 20 II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp (9/29) 21 22 II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp (10/29) 23 II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp (11/29) 24 II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp (12/29) 2.4. Cấu tạo MBA 25 2.4.1.Lừi thộp: Lừi thộp được ghộp bằng những lỏ kỹ thuật điện thành mạch từ khộp kớn dựng để dẫn từ thụng chớnh, đồng thời làm khung để quấn dõy. MBA bao gồm cỏc bộ phận chớnh: lừi thộp, dõy quấn và vỏ mỏy. Ngoài ra cũn cú vỏ mỏy, cỏch điện, sứ cỏch điện. II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp (13/29) 3 1 2 Cấu tạo ruột MBA 3 pha kiểu trụ G T T T G Thường độ dày của cỏc là thộp 0.35; 0.3; 0,27mm đến 0,35mm cú phủ sơn cỏch điện ở bề mặt để giảm tụn hao do từ trễ và dũng điện xoỏy. 1 - Cuộn dõy hạ ỏp; 2 - Cuộn dõy cao ỏp; 3 - Mạch từ 26 II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp (14/29) 3 21 4 5 7 8 9 6 2.4. Cấu tạo MBA (tiếp) Bản vẽ cấu tạo máy biến áp" 1- Ruột máy, 2 -Vỏ máy, 3 - Nắp máy, 4 - Sứ cao thế, 5 - Móc treo nắp, 6,7 - Cánh tỏa nhiệt, 8 - Chân đế, 9 - Sứ hạ thế. 27 II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp (15/29) Cỏch ghộp nối mạch từ của MBA 28 II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp (16/29) 29 2.4.2. Dõy quấn: !  Dõy quấn là bộ phận dẫn điện của MBA, làm nhiệm vụ thu năng lượng vào và truyền năng lượng ra !  Yờu cầu với dõy quấn là cảm ứng được sđđ cho trước, cho phộp dũng điện định mức đi qua lõu dài mà khụng núng quỏ mức cho phộp. II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp (17/29) 2.4. Cấu tạo MBA (tiếp) 30 Theo cỏch sắp xếp dõy quấn CA và HA, người ta chia ra làm hai loại dõy quấn chớnh: Dõy quấn đồng tõm và đõy quấn xen kẽ Dõy quấn kiểu trụ: II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp (18/29) 2.4.2. Dõy quấn (tiếp): a. Dõy quấn đồng tõm a) b) #  Với tiết diện lớn dựng dõy dẫn bẹt, thường được quấn thành hai lớp (hỡnh b) và thường làm dõy quấn HA (điện ỏp 6kV trở xuống) #  Với tiết diện nhỏ dựng dõy dẫn trũn, được quấn thành nhiều lớp (hỡnh a) và thường làm dõy quấn CA (điện ỏp tới 35kV) 31 Dõy quấn hỡnh xoắn ốc: II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp (19/29) a. Dõy quấn đồng tõm (tiếp) c) d) "  Gồm nhiều sợi dõy chập lại và quấn theo hỡnh xoắn ốc, giữa cỏc vũng dõy cú cỏc rónh hở (hỡnh c). Nú thường dựng dõy quấn HA của cỏc MBA cú cụng suất trung bỡnh và lớn "  Dựng cỏc dõy bẹt quấn thành những bỏnh dõy phẳng cỏch nhau bằng cỏc rónh hở (hỡnh d). Dõy quấn này chủ yếu làm cuộn CA ( điện ỏp 35kV trở lờn và dung lượng lớn) Dõy quấn hỡnh xoắn ốc liờn tục: 32 "  Cỏc bỏnh dõy CA, HA lần lượt quấn xen kẽ nhau dọc theo trụ thộp. Thường cú một bỏnh HA được chia làm hai đặt sỏt gụng. Kiểu này thường dựng trong cỏc MBA mà cả hai dõy quấn cú nhiều đầu dõy. II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp (20/29) b. Dõy quấn xen kẽ Hỡnh cắt và cấu tạo ruột MBA 33 II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp (21/29) 34 Lắp rỏp dõy quấn vào lừi thộp Cuộn dõy quấn cao ỏp Cuộn dõy quấn CA, HA II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp (22/29) 35 II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp (23/29) 36 II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp (24/29) 37 II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp (25/29) 38 II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp (26/29) 39 II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp (27/29) Vỏ làm nhiệm vụ chứa dầu làm mỏt và bảo vệ MBA. Trờn nắp vỏ mỏy cú đặt sứ ra của dõy quấn CA và HA, bỡnh gión dầu. Bỡnh gión dầu dảm bảo đủ thể tớch co – gión dầu khi nhiệt độ dầu thay đổi; ngoài ra, nhờ quan sỏt dầu ở bỡnh gión dầu cú thể biết trong thựng luụn dầy dầu. Vỏ mỏy cú yờu cầu sau: 2.4.3. Vỏ mỏy #  Vỏ thựng phải kớn và cú diện tớch tản nhiệt lớn nhất cú thể #  Cú khẳ năng bảo vệ dầu MBA chong xuống cấp do sự tỏc động của nhiều yếu tố khỏc nhau #  Cú độ bền cơ khớ cao để đảm bảo khi nõng hạ, vận chuyển vỏ MBA khụng bị biến dạng keo theo biến sạng chi tiết ruột mỏy #  Cho phộp lắp cỏc thiết bị chuyển đổi điện ỏp, cỏc thiết bị chuyển tiếp nguồn điện trong ra ngoài (sứ cao, hạ ỏp) cỏc thiết bị đo (nhiệt độ), bảo vệ 40 II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp (28/29) 2.4.3. Vỏ mỏy (tiếp) 41 II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp (29/29) 2.4.3. Vỏ mỏy (tiếp) i1 Φ i2 u1 u2 Tải w1 w2 e1 e2 !  Khi nối cuộn dõy sơ cấp w1 với điện ỏp xoay chiều hỡnh sin u1, dũng điện i1 chạy trong dõy quấn sơ cấp sẽ sinh ra trong lừi thộp từ thụng biến thiờn Φ = Φm.sinωt (với ω = 2πf) 42 2.5. Nguyờn lý làm việc của MBA II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp (23/27) !  Từ thụng biến thiờn làm cảm ứng ở dõy quấn sơ cấp và thứ cấp cỏc sđđ e1 và e2. Chiều của sđđ và từ thụng chọn theo quy tắc vặn nỳt chai. Theo định luật cảm ứng điện từ: 43 2.5. Nguyờn lý làm việc của MBA (tiếp) II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp (24/27) ) 2 tsin(.E.2) 2 tsin(...w tcos...w dt dwe 1m1 m111 π−ω=π−ωΦω= ωΦω−=Φ−= ) 2 tsin(.E.2e 22 π−ω= !  Trong đú: E1, E2 là giỏ trị hiệu dụng của cỏc sđđ dõy quấn w1 và w2: m1 m1m1 1 .w.f.44,42 .w.f..2 2 ..wE Φ=Φπ=Φω= m22 .w.f.44,4E Φ= Ta dễ thấy: sđđ sơ cấp và sđđ thứ cấp cú cựng tần số nhưng trị số hiệu dụng khỏc nhau 44 !  Lấy E1 chia cho E2 ta được: : gọi là hệ số biến ỏp kw w E E 2 1 2 1 == !  Nếu bỏ qua điện ỏp rơi trờn cỏc dõy quấn ta cú: 2 2 1 1 2 1 2 1 2 1 w U w U U U E E w wk =→≈== 2.6. Nguyờn lý làm việc của MBA (tiếp) II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp (25/27) 45 2.7. Cỏc thụng số định mức của MBA a. Điện ỏp định mức Với mỏy 1 pha là điờn ỏp pha, với mỏy 3 pha là điện ỏp dõy !  Điện ỏp định mức sơ cấp : U1đm (V) hoặc kV !  Điện ỏp định mức thứ cấp: U2đm (V) hoặc kV b. Dũng điện định mức Là dũng điện đẵ quy định cho dõy quấn MBA ứng với cụng suất và điện ỏp định mức !  Dũng điện định mức sơ cấp : I1đm (A) !  Dũng điện định mức thứ cấp: I2đm (A) II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp (26/27) 46 2.7. Cỏc thụng số định mức của MBA (tiếp) a. Cụng suất định mức !  Với MBA 1 pha: 1 1 2 2dm dm dm dmS U I U I= = 1 1 2 23 3dm dm dm dmS U I U I= =!  Với MBA 3 pha: Ngoài cỏc thụng số ở trờn, trờn nhón mỏy cũn ghi: điện ỏp ngắn mạch Un%; tổ nối dõy, tần số, chế độ làm việc, tiờu chuẩn sản xuất. vv II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp (27/27) 47 I. Tổng quan về hệ thống năng lượng điện Nội dung II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp III. Quan hệ điện từ trong Mỏy biến ỏp IV. Cỏc chế độ làm việc trong Mỏy biến ỏp V. Mỏy biến ỏp ba pha Chương 1. Mỏy biến ỏp 48 III. Quan hệ điện từ trong MBA (1/13) a. Chiều dũng điện, điện ỏp Hỡnh 3.1 vẽ SĐNL MBA một pha, dõy quấn w1 nối với u1, dõy quấn w2 nối với phụ tải cú tổng trở Z, chiều của dũng điện, điện ỏp, từ thống trong mỏy được xỏc định như trờn hỡnh vẽ 3.1. Cỏc phương trỡnh cõn bằng điện và từ của MBA Hinh 3.1 dũng điện và điện ỏp !  Từ thụng Φt1 cảm ứng sđđ et1, chọn trựng chiều i1: !  Từ thụng Φt2 cảm ứng sđđ et2, chọn trựng chiều i2: et2 = Lt2 di2 dt et1 = Lt1 di1 dt 49 III. Quan hệ điện từ trong MBA (2/13) b. Phương trỡnh cõn bằng điện ỏp 3.1. Cỏc phương trỡnh cõn bằng điện và từ của MBA (tiếp) !  Xột mạch điện như hỡnh 3.1, gồm nguồn điện u1,, u2, sđđ e1, et1, e2, et2, điện trở dõy quấn R1, R2. Viết phương trỡnh định luật Kiếchốp 2 cho mạch điện phớa sơ cấp và thứ cấp, ta cú: !  Phương trỡnh cõn bằng điện ỏp viết dưới dạng số phức sẽ là: U1 = - E1 + (R1+jωLt1)I1 = - E1 + (R1+jX1)I1 = - E1 + Z1I1 U2 = E2 - (R2+jωLt2)I2 = - E2 - (R2+jX2)I2 = E2 - Z2I2 R1, R2, Lt1, Lt2 – điện trở, điện khỏng tản của dõy quấn sơ cấp và thứ cấp Z1 = R1+jX1, Z2 = R2+jX2 – tổng trở phức của dõy quấn sơ cấp và thứ cấp. u1 = e1 +R1i1 + Lt1 di1 dt u2 = e2 R2i2 Lt2 di2 dt 50 c. Phương trỡnh cõn bằng từ động (stđ) III. Quan hệ điện từ trong MBA (3/13) Như vậy, nếu điện ỏp vào khụng đổi thỡ từ thụng Φ khụng đổi. Ta suy ra stđ tổng khụng đổi ở mọi chế độ phụ tải. !  Khi cú tải, từ thụng chớnh Φ do dũng điện i1 và i2 tạo nờn, núi cỏch khỏc do stđ tổng sơ cấp và thứ cấp (i1w1 + i2w2) sinh ra. !  Ta cú phương trỡnh cấn bằng stđ i0 = i1 + i2 w2 w1 = i1 + i2 k = i1 + i2 , i0w1 = i1w1 + i2w2 hay Phương trỡnh cõn bằng stđ thực chất là phương trỡnh cõn bằng dũng điện 3.1. Cỏc phương trỡnh cõn bằng điện và từ của MBA (tiếp) !  Khi khụng tải dũng điện sơ cấp i1 = i0, từ thụng chớnh Φ do stđ i0w1 sinh ra. i1 = i0 + (- i’2 ), với i2 , = i2 k trong đú k là tỉ số biến ỏp ( ) k= w1 w2 51 c. Phương trỡnh cõn bằng từ động stđ (tiếp) III. Quan hệ điện từ trong MBA (4/13) )I(IIIII 201210 ′−+=↔′+= !!!!!! Viết dưới dạng số phức: ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪⎪ ⎪ ⎨ ⎧ −+= −+−+=−= ++−=+−= )I(II )XIj()rI(EZIEU XIjrIEZIEU ' 201 222222222 111111111 !!! !!!!!! !!!!!! $ Hệ phương trỡnh của MBA 3.2. Quy đổi MBA !  Do MBA cú 2 cuộn dõy cỏch ly nhau và cỏch điện với mạch từ nờn việc xột quỏ trỡnh năng lượng sẽ gặp khú khăn. !  Để thuận lợi cho việc nghiờn cứu, người ta nối hai dõy quấn lại với nhau (giả tưởng). Muốn vậy ta phải quy đổi cỏc thụng số từ dõy quấn nọ sang dõy quấn kia. Cỏc trị số quy đổi được ghi thờm dấu phẩy, e.g., U’2, I’2 a. Sức điện động (sđđ) và điện ỏp thứ cấp quy đổi: 22 2 1 2 m22 m1m22 E.kE w wE .w.f.44,4E .w.f.44,4.w.f.44,4E ==′→ ⎭ ⎬ ⎫ Φ= Φ=Φ′=′ b. Dũng điện thứ cấp quy đổi: k III.EI.E 222222 =′→′′= Muốn quy đổi thỡ hai cuộn dõy phải cựng điện ỏp hay sđđ. Trờn nguyờn tắc cụng suất truyền tải khụng đổi, ta cú: 52 III. Quan hệ điện từ trong MBA (5/13) 53 c. Điện trở và điện khỏng thứ cấp quy đổi: 2 2 22 2 22 2 2 r.krr.Ir.I =′→′′= Tương tự: 2 2 22 2 2 Z.kZx.kx =′→=′ t 2 t Z.kZ =′ d. Hệ phương trỡnh quy đổi: ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ = −+= −+−+=−= ++−=+−= 1 ' 2 ' 201 2 ' 22 ' 2 ' 22 ' 2 ' 2 ' 2 111111111 EE )I(II )XIj()rI(EZIEU XIjrIEZIEU !! !!! !!!!!! !!!!!! Trờn nguyờn tắc tổn hao khụng đổi, ta cú: III. Quan hệ điện từ trong MBA (6/13) 3.3. Sơ đồ thay thế và đồ thị vộc tơ của MBA a. Sơ đồ thay thế 54 !  Suất phỏt từ cỏc phương trỡnh cơ bản của MBA, ta cú thể biến đổi sơ đồ thay thế hỡnh a và được biến đổi sang hỡnh b Trong đú: UMN = - E 1 = - kE 2 = I 0(Rth + jXth) - Rth , Xth là điện trở và điện khỏng của nhỏnh từ hoỏ III. Quan hệ điện từ trong MBA (7/13) a. Sơ đồ thay thế (tiếp) 55 !  Thụng thường tổng trở nhỏnh từ húa (Rth, Xth) rất lớn, dũng điện từ húa I0 rất nhỏ. Để đơn giản ta cú thể bỏ qua nhỏnh từ húa, ta cú sơ đồ thay thế dạng đơn giản của MBA !  Trong đú: Rn = R1+R’2, Xn = X1+X’2 – điện trở, điện khỏng ngắn mạch của MBA. !  Khi mang tải định mức, zt =zt.đm, dũng điện trong mỏy I1 = I1đm; I2 = I2đm. III. Quan hệ điện từ trong MBA (8/13) !  Tải của MBA thường cú tớnh cảm (RL) hay tớnh dung (RC). Ta sẽ xem xột hai trường hợp của tải: Tải điện cảm Tải điện dung 56 b. Đồ thị vộc tơ của MBA III. Quan hệ điện từ trong MBA (9/13) 3.4. Thớ nghiệm xỏc định thụng số của MBA a. Thớ nghiệm khụng tải Từ cỏc số liệu thớ nghiệm ta xỏc được tổng trở, điện trở, điện khỏng của MBA: A W V1 V2 r1x1 x'2r'2 I1 = I0 U1 I2 = 0 rm xm -E1 I0 20 đm1 2 1 U U w wk ==!  Tỷ số MBA k: !  Dũng điện khụng tải %: 57 III. Quan hệ điện từ trong MBA (10/13) m12 0 0 00 2 0m1 2 00 rrI Prr.I)rr.(IP +==→=+= 0 đm1 0 I UZ = m1 2 0 2 00 xxrZx +=−= o1dm o 0 .IU Pcos =ϕ !  Tổn hao khụng tải và điện trở khụng tải: !  Tổng trở khụng tải và điện khỏc khụng tải: !  Hệ số cụng suất khụng tải: 58 a. Thớ nghiệm khụng tải (tiếp) III. Quan hệ điện từ trong MBA (11/13) b. Thớ nghiệm ngắn mạch Từ cỏc số liệu ngắn mạch In, Un, Pn đo được ta xỏc định được cỏc tham số ngắn mạch của MBA: A1 W V A2 Boọ ủieàu chổnh ủieọn aựp U1 Un r1x1 x'2r'2 In = I1ủm = I'2ủm Un n n n I UZ = 2 n n nn 2 n21 2 nn I Prr.I)rr.(IP =→=′+= 2n 2 nn rZx −= Trong MBA cú ⎪ ⎪ ⎩ ⎪⎪ ⎨ ⎧ =′≈ =′≈ 2 rrr 2 xxx n 21 n 21 59 III. Quan hệ điện từ trong MBA (12/13) !  Điện ỏp ngắn mạch phần trăm !  Điện ỏp ngắn mạch tỏc dụng phần trăm Un% = ZnI1dm U1dm ⇥ 100% Unr% = rnI1dm U1dm ⇥ 100% = Unr U1dm ⇥ 100% !  Điện ỏp ngắn mạch phản khỏng phần trăm Unx% = xnI1dm U1dm ⇥ 100% = Unx U1dm ⇥ 100% !  Hệ số cụng suất ngắn mạch cos' = Pn I1dmU1dm = rn Zn 60 b. Thớ nghiệm ngắn mạch (tiếp) IV. Quan hệ điện từ trong MBA (13/13) 61 I. Tổng quan về hệ thống năng lượng điện Nội dung II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp III. Quan hệ điện từ trong Mỏy biến ỏp IV. Cỏc chế độ làm việc trong Mỏy biến ỏp V. Mỏy biến ỏp ba pha Chương 1. Mỏy biến ỏp 62 IV. Cỏc chế độ làm việc của MBA (1/7) 4.1.1. Giản đồ năng lượng của MBA !  Khi tải cú tớnh cảm ϕ2 > 0 → Q2 > 0, lỳc đú Q1 > 0 → cụng suất phản khỏng truyền từ dõy quấn sơ cấp sang dõy quấn thứ cấp. !  Khi tải cú tớnh dung ϕ2 < 0 → Q2 < 0 #  Q1 < 0: cụng suất phản khỏng truyền từ dõy quấn thứ cấp sang dõy quấn sơ cấp #  Q1 > 0: MBA lấy cụng suất phản khỏng từ phớa sơ cấp và thứ cấp để từ hoỏ nú. P1 + jQ1 Pđt + jQđt P2 + jQ2 pCu1 + jq1 pFe + jqth pCu2 + jq2 Φ cosϕ1 cosϕt (cosϕ2) 4.1. Chế độ làm việc với tải đối xứng 63 4.1.2. Độ thay đổi điện ỏp của MBA và cỏch điều chỉnh !  Khi MBA làm việc, điện ỏp thứ cấp U2 thay đổi theo trị số và tớnh chất điện cảm hay điện dung của dũng tải !  Hiệu số học của điện ỏp thứ cấp lỳc khụng tải U20 và lỳc cú tải U2 khi U1 khụng đổi gọi là độ thay đổi điện ỏp ∆U của MBA ∆U = U20 – U2 a. Độ thay đổi điện ỏp 100* U UUΔU% 20 220 −= IV. Cỏc chế độ làm việc của MBA (2/7) 64 a. Độ thay đổi điện ỏp (tiếp) Ta thấy ΔU=f(β,cosϕ2) như vậy U2 phụ thuộc vào β và cosϕ2, để giữ cho U2 = const khi tải thay đổi →? Δ β 0.2 0.4 0.6 0.8 1 U% ϕ>0 2 ϕ<0 2 1 2 3 4 -1 -2 0 Cos =0.7 ϕ 2 Cos = 1 ϕ 2 Cos =0.7 ϕ 2 Δ 0.20.40.60 U% ϕ> 0 2 1 2 3 4 -1 -2 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0.8 3 4 ϕ< 0 2 0 ΔU = f( ) khi cos =const β ϕ 2 U = f( ) khi =const β cos ϕ 2 IV. Cỏc chế độ làm việc của MBA (3/7) 65 b. Cỏch điều chỉnh điện ỏp !  Trờn cuộn dõy MBA cú cỏc cuộn điều chỉnh điện ỏp. MBA thụng thường thiết kế đầu điểu chỉnh ở cỏc cấp ±2,5% ±5% !  Điều chỉnh của MBA thường đặt ở phớa CA. Mục đớch của việc điểu chỉnh là để thay đổi tỉ số mỏy biến ỏp để ổn định điện ỏp đẩu ra. Thụng thường người ta điều chỉnh khi cắt điện khỏi MBA !  Trong cỏc hệ thống điện lực cụng suất lớn, cú khi cần phải điều chỉnh điện ỏp khi mỏy đang làm việc để phõn phối lại cụng suất tỏc dụng và cụng suất phản khỏng giữa cỏc phõn đoạn của hệ thống. Cỏc MBA này thường lắp cỏc bộ điểu chỉnh điện ỏp dưới tải IV. Cỏc chế độ làm việc của MBA (4/7) 66 4.1.3. Tổn hao và hiệu suất của MBA 2 2 1/50 ( ) ( )50 50Fe T T G G f fp p B G B G⎡ ⎤= +⎢ ⎥⎣ ⎦ !  Tổn trờn lừi thộp do từ trễ và dũng xoỏy gọi là pFe - p1/50 Suất tổn hao sắt từ ở tần số 50Hz và từ cảm B = 1Tesla " - BT, BG, GT, GG – Mật độ từ cảm và khối lượng trụ và gông " a. Tổn hao bao gồm ∑ ++= Fe2cu1cu pppp !  Tổn hao trờn dõy quấn sơ cấp gọi là pcu1 !  Tổn hao trờn dõy quấn thứ cấp gọi là pcu2 - Gọi là tổng tổn hao IV. Cỏc chế độ làm việc của MBA (5/7) 67 b. Hiệu suất của MBA 12 1 1 % *100 *100 P pP P P η − = = ∑ 0Fep P≈ 1 2Cu Cu np p P+ = 2 2 2 2 2 Cu n n dm Ip r I p I β β= = = - Gọi là tổn hao khụng tải - Gọi là tổn hao ngắn mạch - Hệ số tải của MBA Máy biến áp đạt hiệu suất cao nhất ứng với hệ số tải: " IV. Cỏc chế độ làm việc của MBA (6/7) = r P0 Pn 68 IV. Cỏc chế độ làm việc của MBA (7/7) 4.2. Chế độ làm việc với tải đối xứng !  Nguyờn tắc: Dựng phương phỏp phõn lượng đối xứng để xột, cụ thể: !  Thành phần thứ tự thuận !  Thành phần thứ tự nghịch !  Thành phần thứ tự khụng !  Xột từng trường hợp và xếp chồng nghiệm Lưu ý: Phần này sẽ được trỡnh bày kỹ trong mụn học “Mỏy điện nõng cao” 69 I. Tổng quan về hệ thống năng lượng điện Nội dung II. Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp III. Quan hệ điện từ trong Mỏy biến ỏp IV. Cỏc chế độ làm việc trong Mỏy biến ỏp V. Mỏy biến ỏp ba pha Chương 1. Mỏy biến ỏp 70 V. Mỏy biến ỏp ba pha (1/16) 5.1. Khỏi niệm !  Để biến đổi điện ỏp của hệ thống dũng điện ba pha, ta cú thể dựng ba MBA một pha (hỡnh a) hoặc dựng một MBA ba pha ba trụ (hỡnh c). Hỡnh 5.1: a) Ba MBA một pha; b) Ghộp ba MBA một pha; c) MBA ba pha ba trụ !  Hỡnh 5.1b mụ tả cú thể biến đổi ba MBA một pha thành MBA ba pha ba trụ: khi ghộp ba MBA một pha thành một MBA ba pha bốn trụ, từ thụng chạy qua trụ chung (MN) Φ = ΦA + ΦB + ΦC, khi mỏy đối xứng Φ = 0, cú thể bỏ trụ chung (MN). Ba trụ cũn lại thường được bố trớ cựng trờn mặt phẳng như hỡnh 5.1c. 71 5.1. Khỏi niệm (tiếp) !  Hỡnh 5.2 là hỡnh ảnh thực tế một lừi thộp và một MBA khụ 150kVA – 6/0,4kV – Δ/Y0 dựng trong lưới điện phõn phối Hỡnh 5.2: a) Lừi mỏy biến ỏp ba pha: b) Mỏy biến ỏp khụ ba pha V. Mỏy biến ỏp ba pha (2/16) 72 5.2. Tổ nối dõy của MBA Đầu đầu Đầu cuối Trung tính" Cuộn cao áp : A B C X Y Z N O Cuộn trung áp: Am Bm Cm Xm Ym Zm Nm Om Cuộn hạ áp : a b c x y z n o a. Ký hiệu đõu dõy b. Cỏc kiểu đấu dõy !  Dõy quấn sơ cấp và thứ cấp MBA ba pha cú thể nối sao (Y) hoặc tam giỏc (Δ hoặc D), người ta dựng chữ in hoa hoặc chữ thường để phõn biệt sơ và thứ cấp. Cú 4 trường hợp: "  Dõy quấn sơ cấp và thứ cấp đều nối sao, ký hiệu Y/Y, Yy "  Dõy quấn sơ cấp và thứ cấp đều nối tam giỏc, ký hiệu Δ/Δ, Dd "  Dõyquấn sơ cấp nối sao và thứ cấp nối tam giỏc, ký hiệu Y/Δ, Yd "  Dõy quấn sơ cấp nối tam giỏc và thứ cấp nối sao, ký hiệu Δ/Y, Dy V. Mỏy biến ỏp ba pha (3/16) 73 Sơ đồ nối dõy và đồ thị vộc tơ tương ứng để xỏc định gúc lệch pha giữa điện ỏp dõy thứ cấp và điện ỏp dõy sơ cấp của bốn tổ nối dõy: b. Cỏc kiểu đấu dõy V. Mỏy biến ỏp ba pha (4/16) 74 c. Tổ nối dõy Φ A X a x SC TC MBA 1 pha A a 3600 Sđđ dq SC Sđđ dq TC kim phỳt (12) kim giờ (1...12) I/I - 12 X x V. Mỏy biến ỏp ba pha (5/16) Φ A X a x Φ A X x a A 1800 I/I - 6 x a X c. Tổ nối dõy (tiếp) V. Mỏy biến ỏp ba pha (6/16) d. Cỏch xỏc đinh tổ nối dõy A B C a b c n X Y Z A C B X Y Z E A B a x x b y c z E a b E A B E a b y z A B C X Y Z A C B X Y Z E A B a b c x y z a y b x z c E A B E a b 360 O 330 O Y 12 y O Y 11 Δ V. Mỏy biến ỏp ba pha (7/16) 77 5.3. MBA làm việc song song !  Để đảm bảo các điều kiện kinh tế kỹ thuật, người ta thường cho 2 hoặc nhiều MBA vận hành song song 1 2 3 1 2 3 1 1 1 1: : : ... : : : ...n n n n nnu u u u β β β β = !  Điều kiện để các MBA làm việc song song: + Cùng tổ nối dây + Cùng cấp điện áp và hệ số biến đổi + Cùng điện áp ngắn mạch !  Hệ số tải của các MBA làm việc song song tỷ lệ nghịch với điện áp ngắn mạch của chúng V. Mỏy biến ỏp ba pha (8/16) 78 1 1 2 3 1 1 2 3% % % dmi dmi dmidm n n n ni ni ni S S S S S S SS u u u u u u β β β= = = = ∑ ∑ ∑ !  Có thể tính hệ số tải β theo công thức sau: S - Tổng công suất của tải; Sđmi - Dung lượng máy biến áp thứ i uni% - Điện áp ngắn mạch % của máy thứ i 5.3. MBA làm việc song song V. Mỏy biến ỏp ba pha (9/16) 79 5.4. Một số vấn đề cần lưu ý khi sử dụng vận hành MBA " !  Không để MBA làm việc không tải hoặc quá non tải !  MBA nên đặt gần hoặc trung tâm phụ tải để giảm tổn thất đường dây. !  Cần theo dõi hiệu suất của MBA để có biện pháp kịp thời về bảo dưỡng, vận hành nâng cao hiệu suất sử dụng máy. !  Định kỳ kiểm tra mức dầu trong máy, tránh hiện tượng dầu cạn gây nóng máy tăng tổn hao và cháy nổ !  Khi chọn các MBA làm việc song song phải đảm bảo các điều kiện đã nêu. Un giữa các máy không nên chênh lệch quá 10% V. Mỏy biến ỏp ba pha (10/16) 80 Bài toỏn 1: Một nhà mỏy chế biến thực phẩm lắp đặt 1 trạm biến ỏp cú cỏc thụng số như sau: S = 1250kVA, U = 22/0,4kV, f = 50Hz , Y/∆-11 Po = 1720W, Pn = 12910W, Io% = 1,2% , Un% =5,5% Khi mỏy vận hành thường xuyờn đo được dũng điện tải từ 700A – 800A. Một số ý kiến cho rằng mỏy đang vận hành non tải và để tiết kiệm năng lượng cần thay thế bằng một mỏy khỏc cú cụng suất thấp hơn như sau S = 630kVA , U = 22/0,4kV, f = 50Hz , Y/∆-11 Po = 1150W, Pn = 6040W, io% = 1,4 , Un = 5% Trờn quan điểm là sinh viờn, anh chị hóy cho biết việc thay thế như trờn cú tiết kiệm được năng lượng khụng? Hóy tớnh dũng điện tải để MBA đạt hiệu suất cao nhất. V. Mỏy biến ỏp ba pha (11/16) 81 Lời giải: 2 2 1250000 1804 3. 3.400dm SI A U = = = 2 2 700 800 0,388 0,443 1804dm I I β ữ= = = ữ 2 2 20,388 .12910 0,443 .12910 1943,5 2533,5Cu np pβ= = ữ = ữ 0 1720 (1943,5 2533,5)Fe Cu Cup p p P pΣ = + = + = + ữ 3663,5 4253,5pΣ = ữ$ + Dũng điện thứ cấp định mức + Hệ số tải của MBA + Tổn hao đổng của MBA ở tải thực tế + Tổng tổn hao của mỏy 1250kVA ở tải thực tế Với mỏy 1250kVA, ta cú: V. Mỏy biến ỏp ba pha (12/16) 82 2 2 630000 909 3. 3.400dm SI A U = = = 2 2 700 800 0,77 0,88 909dm I I β ữ= = = ữ 2 2 20,77 .6040 0,88 .6040 3581 4677Cu np pβ= = ữ = ữ 0 1150 (3581 4677)Fe Cu Cup p p P pΣ = + = + = + ữ 4731 5827pΣ = ữ Với mỏy 630kVA, ta cú: + Dũng điện thứ cấp định mức + Hệ số tải của MBA + Tổn hao đổng của MBA ở tải thực tế + Tổng tổn hao của mỏy 630kVA ở tải thực tế $ V. Mỏy biến ỏp ba pha (13/16) 83 Kết luận: ! Với kết quả tớnh toỏn ở trờn, nếu thay mỏy 1250kVA hiện tại bằng mỏy 630kVA sẽ khụng kinh tế về mặt tiết kiệm điện năng ! Mỏy biến ỏp 1250kVA sẽ đạt hiệu suất cao nhất khi tổn hao sắt bằng tổn hao đồng, nghĩa là: P0 = 2Pn ) = r P0 Pn = r 1150 6040 = 0, 436 ! Suy ra dũng điện tải là: I2 = I2dm = 0, 436 ã 1804 = 786, 5A V. Mỏy biến ỏp ba pha (14/16) 84 Bài toỏn 2: Cho 3 MBA cú cỏc thụng số trong bảng sau Thụng số S  (kVA)   U1/ U2(kV)   f  (Hz)   Tổ  nối   dõy   Un   Mỏy  1   400   22/0,4   50   Y/Y-ư‐6   5%   Mỏy  2   630   22/0,4   50   Y/Y-ư‐6   5.5%   Mỏy  3   1000   22/0,4   50   Y/Y-ư‐6   6%   Cho 3 MBA trờn làm việc song song cung cấp cho tải cú cụng suất 1900kVA. Tớnh dung lượng và dũng điện của mỗi mỏy cung cấp cho tải Lời giải: 400 630 1000 316,2 % 5 5,5 6 dmi ni S u = + + =∑+ ta cú 1 1 1 1 1 1900 1,05 420 5.361,2%. dm dmi n ni S S S kVASu u β β= = = ⇒ = = ∑ V. Mỏy biến ỏp ba pha (15/16) 85 3 2 2 2 1900 0,876 876 6.361,2 dm S S kVAβ β= = ⇒ = = 3 1 1 1 1 1 1 400.10 577,3 1,05.577,3 606 3 3400 dm dm dm dm SI A I I A U β= = = ⇒ = = = 3 2 2 2 2 1 1 630.10 909,3 0,956.909,3 869,3 3 3400 dm dm dm dm SI A I I A U β= = = ⇒ = = = 3 3 3 3 3 3 1 1000.10 1443 0,876.1443 1264 3 3400 dm dm dm dm SI A I I A U β= = = ⇒ = = = !  Dũng điện mỗi mỏy: 2 2 2 2 1900 0,956 602,2 5,5.361,2 dm S S kVAβ β= = ⇒ = = Lời giải (tiếp): V. Mỏy biến ỏp ba pha (16/16) 86 Bài toỏn 3 (về nhà nghiờn cứu): Thụng số S  (kVA)   U1/U2(kV)   P0(W)   Pn(W)   Un   Mỏy  1   500   22/0,4   950   7000   5%   Mỏy  2   800   22/0,4   1300   10500   5.5%   Một xớ nghiệp dựng 1 trạm 2 MBA cú cựng tổ nối dõy, cựng tần số 50Hz và cú cỏc thụng số khỏc nhau như sau: Hai MBA đặt cựng vị trớ và cung cấp điện cho 2 phõn xưởng chế biến độc lập với nhau. Khi kiểm toỏn năng lượng đo được dũng điện tải mỏy 1 là 420A và mỏy 2 là 600A, điện ỏp 400V. Cú 3 ý kiến như sau: + Bỏ mỏy 1, dồn tải sang mỏy 2 + Cho hai mỏy 1 và 2 vận hành song song + Cứ để nguyờn hiện trạng Theo quan điểm của anh chị, phương ỏn nào là tối ưu về mặt năng lượng. Và hóy tớnh xem hay mỏy đạt hiệu suất cao nhất ở dũng tải là bao nhiờu V. Mỏy biến ỏp ba pha (16/16)