Máy điện một chiều + Máy biến áp

1 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích thích độc lập Đặc điểm của phương pháp này là: Khi điều chỉnh tốc độ, mô men không đổi vì từ thông và dòng điện phần ứng đều không đổi. Dòng điện không đổi vì khi giảm U vận tốc giảm làm cho sđđ E giảm nên: Tổ máy phát – động cơ hiện nay được dùng nhiều trong các máy cắt gọt kim loại và máy cán thép cỡ lớn yêu cầu điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng (1:2) với hiệu suất cao. B. Động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp: I. Phương trình đặc tính cơ: ở động cơ một chiều kích thích nối tiếp It = Iư = I nên ta có thể biểu thị f = K f I, trong đó có hệ số tỷ lệ K f chỉ là hằng số trong vùng I < 0,8 Iđm ; Khi mạch từ chưa bão hoà. Như vậy: Từ đó ta có: Như vậy khi mạch từ của động cơ điện chưa bão hoà, đặc tính cơ của động cơ điện kích thích nối tiếp có dạng của một đường hypécbol bậc 2 lấy trục tung làm đường tiệm cận (hình 6-11). Đặc tính cơ của động cơ điện loại này thuộc đặc tính cơ mềm. Khi mô men tăng, tốc độ giảm rất nhanh. Khi phụ tải bé tốc độ tăng cao, có thể quá giới hạn cho phép. Do vậy động cơ điện kích thích nối tiếp không được làm việc không tải hoặc tải quá bé. Động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp được dùng rộng rãi ở các thiết bị có điều kiện mở máy nặng nề, cần tốc độ thay đổi trong một phạm vi rộng như các đầu kéo tải (xe điện, cầu trục…) II. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ: Với động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp có hai phương pháp điều chỉnh tốc độ. 1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông f: - Thay đổi từ thông f bằng cách phân mạch kích thích (đóng cầu dao CD2 và mở cầu dao CD1 (trên hình 6-12). Hình 6-12 Sơ đồ điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp. Đối với trị số dòng điện tải đã cho, khi phân mạch dòng điện kích thích sẽ giảm xuống: It = I - Ist Do đó phương pháp này điều chỉnh được f < fđm và tốc độ sẽ thay đổi được trong vùng trên định mức; đường đặc tính (đường 2) sẽ nằm trên đường đặc tính tự nhiên (đường 1, hình 6-13). - Thay đổi f bằng cách phân mạch phần ứng (Đóng cầu dao CD1mở cầu dao CD2 trên hình 6-11). Hình 6-13 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp ở các trường hợp điều chỉnh tốc độ khác nhau. Khi phân mạch phần ứng tổng trở của toàn mạch sẽ bé đi, dòng điện I = It tăng và từ thông f tăng làm cho tốc độ n giảm xuống. Phương pháp này chỉ điều chỉnh được tốc độ ở vùng dưới định mức và đặc tính tương ứng (đường 3) nằm dưới đường đặc tính cơ tự nhiên. Phương pháp này ít dùng do có tổn hao lớn trên điện trở phân mạch, hơn nữa việc tăng từ thông còn bị hạn chế bởi sự của mạch từ. Hình 6-14 Sơ đồ nối song song (a) và nối tiếp (b) hai động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp. 2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp: Phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong giao thông vận tải và được thực hiện bằng cách đổi từ đấu song song sang đấu nối tiếp hai động cơ (hình 6-14) có cùng công suất bằng 1/2 công suất kéo. Khi nối song song các động cơ làm việc với U = Uđm (đặc tính 1). Sau khi đổi song song thành nối tiếp, mỗi động cơ làm việc với U=; đặc tính cơ có dạng đường cong 4 (Hình 6-13). Phương pháp này chỉ điều chỉnh được tốc độ dưới tốc độ tốc độ định mức và có hiệu suất cao vì không gây thêm tổn hao khi điều chỉnh. C. Động cơ điện một chiều kích thích hỗn hợp: Việc điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều kích thích hỗn hợp thường được thực hiện như động cơ điện một chiều kích thích song song, dù rằng về nguyên tắc có thể dùng phương pháp điều chỉnh dùng cho động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp. 6.4. Đặc tính làm việc của động cơ điện một chiều: Các đặc tính làm việc của động cơ điện một chiều bao gồm các quan hệ giữa tốc độ n, mô men M và hiệu suất h với dòng điện phần ứng Iư khi U = Udm = const. I. Đặc tính tốc độ: n = f(Iư) khi U = Udm = const về cơ bản đặc tính tốc độ n = f(Iư) có dạng như các đặc tính cơ n = f(M). Các đặc tính tốc độ biểu thị theo đơn vị tương đối có dạng như các đường 1 (của động cơ kích thích song song), 2 và 3 (của động cơ kích thích hỗn hợp) và 4 (của động cơ kích thích nối tiếp) ở trên hình 6-15. Hình 6-15 Đặc tính tốc độ và đặc tính mô men của các động cơ điện một chiều II. Đặc tính mô men: M = f(Iư) khi U = Uđm = const. Từ biểu thức M = CM f Iư ta thấy rằng ở động cơ kích thích song song f = const nên M = f(Iư) là quan hệ bậc nhất (đường 1 trên hình 6-15) ở động cơ một chiều kích thích nối tiếp f º Iư nên đặc tính mô men có dạng parabol (đường IV) vì M º Iư ở động cơ kích thích hỗn hợp khi Iư tăng thì f cũng tăng nhưng tốc độ chậm hơn so với sự tăng của f ở động cơ kích thích nối tiếp cho nên các đặc tính mô men (các đường II và III) có tính chất trung gian giữa đường I và IV. III. Đặc tính hiệu suất: h = f(Iư )khi U = Uđm = const. Hiệu suất cực đại của động cơ điện một chiều thường được tính toán với I = 0,75 Iđm . Khi đó tổn hao không đổi (bao gồm tổn hao cơ và tổn hoa thép) bằng tổn hao biến đổi phụ thuộc vào biến trở của các dây quấn và tỷ lệ với bình phương dòng điện trên các dây quấn. Hiệu suất của động cơ điện một chiều vào khoảng h = 0,75 á 0,85 đối với động cơ công suất bé, và h = 0,75 á 0,94 đối với các động cơ có công suất trung bình và lớn. Hình 6-16 Đặc tính hiệu suất của động cơ điện một chiều Câu hỏi ôn tập chương 6 1. Trình bày nguyên lý thuận nghịch của máy điện một chiều. 2. Các phương pháp mở máy động cơ điện một chiều. 3. Thiết lập phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích thích độc lập (hay song song) và kích thích nối tiếp. 4. Nêu ưu khuyết điểm của phương pháp điều chỉnh tốc độ của các động cơ một chiều kích thích song song và kích thích nối tiếp. Phần thứ hai Máy biến áp Chương 7 đại cương về máy biến áp 7.1. Khái niệm chung Muốn truyền tải điện năng đi xa, ít tổn hao trên đường dây và tiết kiệm được kim loại màu phải dùng điện áp cao (Ư ³ 35KV). Nhưng các hộ tiêu thụ lại thường xuyên yêu cầu điện áp thấp (từ 0,2 á 6 KV). Do đó phải dùng máy biến áp để tăng điện áp ở đầu ra đường dây và để giảm áp ở cuối đường dây đưa đến các hộ tiêu thụ điện. Trên hệ thống muốn truyền tải và phân phối công suất hợp lý thường phải qua ba, bốn lần tăng và giảm điện áp. Do đó công suất của các trạm biến áp thường gấp ba, bốn lần tổng công suất của các nhà máy điện. Các máy biến áp làm nhiệm vụ truyền tải và phân phối năng lượng trong hệ thống điện gọi là máy biến áp lực. Hình 7-1: Sơ đồ cung cấp điện đơn giản Ngoài máy biến áp lực còn có các loại máy biến áp có công dụng khác: + Máy biến áp chuyên dùng cho các lò luyện kim, các thiết bị chỉnh lưu, máy biến áp hàn. + Máy biến áp đo lường dùng để biến đổi điện áp và dòng điện lớn đến các trị số thích hợp với dụng cụ đo. + Máy biến áp tự ngẫu dùng để biến đổi điện áp trong phạm vi không lớn, để mở máy động cơ điện xoay chiều. + Máy biến áp thí nghiệm dùng để thí nghiệm điện áp cao. Theo số pha có máy biến áp một pha và máy biến áp ba pha. Theo phương pháp làm lạnh có máy biến áp dầu và máy biến áp khô. Dù máy biến áp có phân ra nhiều loại nhưng nguyên lý làm việc cơ bản và các hiện tượng vật lý xảy ra trong chúng vẫn giống nhau. 7.2. Nguyên lý làm việc của máy biến áp: Xét máy biến áp một pha hai dây quấn (hình 7-2) có các vòng dây tương ứng là W1 và W2 quấn trên lõi thép 3. Khi đặt điện áp U1 xoay chiều vào dây quấn 1 (dây quấn sơ cấp) trong đó có dòng điện i1 chạy qua, dòng i1sinh ra từ thông f trong lõi thép móc vòng với cả dây quấn 1 và dây quấn 2 (dây quấn thứ cấp). Từ thông f biến thiên gây nên sđđ cảm ứng e1 và e2. Sđđ e2 trong dây quấn thứ cấp sẽ sinh ra dòng điện i2 đưa ra tải với điện áp U2. Như vậy năng lượng của dòng điện xoay chiều từ dây quấn sơ cấp đã truyền sang dây quấn thứ cấp. Hình 7-2 Nguyên lý làm việc của máy biến áp Nếu điện áp U1 đặt vào là một hàm số hình sin thì từ thông do nó sinh ra cũng là một hàm số hình sin: f = fmsinwt. Do đó theo định luật cảm ứng điện từ các sđđ e1 và e2 cảm ứng trong dây quấn sơ và thứ cấp sẽ là: (1) (2) Trong đó: Là trị số hiệu dụng của các sđđ ở dây quấn sơ cấp và thứ cấp. Từ các biểu thức (1) và (2) cho thấy sđđ trong các dây quấn sơ và thứ cấp chậm pha so với từ thông sinh ra chúng một góc p/2. Tỷ số giữa sđđ E1 và E2 được gọi là tỷ số biến đổi của máy biến áp. Nếu bỏ qua điện áp giáng trên các dây quấn sơ và thứ cấp, coi U1 = E1; U2 = E2 thì có thể tính như sau: Từ nguyên lý làm việc trên ta có thể định nghĩa: Máy biến áp là một thiết bị điện từ tĩnh dùng để biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp này thành một hệ thống điện xoay chiều ở điện áp khác với tần số không đổi. Dây quấn sơ cấp nối với nguồn để thu năng lượng, dây quấn thứ cấp đưa năng lượng ra. Dây quấn có điện áp cao gọi là dây quấn cao áp (CA), dây quấn có điện áp thấp gọi là dây quấn hạ áp (HA). Nếu U1 > U2 (K >1) ta có máy biến áp giảm áp; Nếu U2 > U1 (K < 1) ta có máy biến áp tăng áp. ở máy biến áp 3 dây quấn, ngoài dây quấn cao áp và hạ áp còn có dây quấn trung áp (TA) với điện áp hai đầu là điện áp trung gian giữa U1 và U2. 7.3. Cấu tạo của máy biến áp: Máy biến áp có các bộ phận chính sau: + Lõi thép + Dây quấn + Vỏ máy I. Lõi thép: Lõi thép dùng mạch từ, đồng thời làm khung dây quấn, để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên, lõi thép được ghép bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,35 - 0,5 mm (Hình 7-3) có sơn cách điện với nhau rồi ghép lại thành trụ (phần lõi thép có dây quấn) và gông (phần nối các trục với nhau thành mạch từ). Hình 7-3 Ghép rời trụ và gông của lõi thép Hình 7-4 Ghép xen kẽ lõi thép máy biến áp Trụ và gông có thể ghép riêng rồi dùng xà ép và bu lông ép chặt lại hoặc ghép xen kẽ (hình 7-4) để giảm bớt tổn hao do dòng điện xoáy và tăng độ bền. Hình 7-5 Tiết diện ngang của trụ (a) và gông (b) của lõi thép Tiết diện ngang của trụ làm thành bậc thang gần tròn. Tiết diện ngang của gông có thể chế tạo thành hình vuông, hình chữ nhật hoặc hình chữ T (hình 7-5). II. Dây quấn a) Kiểu nhiều lớp dây tròn b) Kiểu hai lớp dây bẹt c) Dây quấn xoáy ốc liên tục d) Dây quấn hình xoắn Hình 7-6 Các kiểu dây quấn đồng tâm Dây quấn thường làm bằng đồng (đôi khi làm bằng nhôm) là phần dẫn điện làm nhiệm vụ thu và truyền năng lượng (phần quan trọng nhất). Có hai kiểu dây quấn chính: 1) Dây quấn đồng tâm: tiết diện là những đường tròn đồng tâm. Dây quấn HA thường quấn phía trong gần lõi thép (Để giảm cách điện của dây quấn, đỡ tốn kém). Dây quấn CA quấn phía ngoài bọc lấy dây quấn HA. Dây quấn đồng tâm có 3 kiểu. - Dây quấn hình trụ nhiều lớp hình tròn (hình 7-6a) và hai lớp bẹt (hình 7-6b) - Dây quấn xoắn ốc liên tục (hình 7-6c) - Dây quấn hình xoắn (hình 7-6d) 2) Dây quấn xen kẽ: Các bánh dây CA và HA quấn xen kẽ nhau. Để cách điện được dễ dàng, các bánh dây sát gông thường là các bánh dây HA. III. Vỏ máy: Vỏ máy gồm hai bộ phận: - Thùng máy biến áp làm bằng thép có hình dạng và kết cấu khác nhau tuỳ theo công suất của máy biến áp. - Nắp thùng dầu để đậy thùng dầu và đặt một số chi tiết máy quan trọng. + Các sứ của dây quấn CA và HA. + Bình dẫn dầu + ống bảo hiểm + Bộ phận truyền động của cầu dao nối các đầu phân áp của thiết bị điều chỉnh điện áp. 7.4. Các đại lượng định mức: Các đại lượng định mức của máy biến áp xác định các điều kiện kỹ thuật của máy do nhà chế tạo qui định và được ghi trên nhãn hiệu của máy cùng với các số liệu sau: - Sơ đồ và tổ nối dây, điện áp ngắn mạch UN% chế độ làm việc, phương pháp làm lạnh… Các đại lượng định mức của máy biến áp gồm: a) Dung lượng hay công suất định mức Sdm (tính bằng VA hay KVA) là công suất biểu kiến (hay toàn phần) đưa ra ở đầu dây quấn thứ cấp. b) Điện áp dây sơ cấp định mức U1đm (Tính bằng V hay KV) là điện áp dây của dây quấn sơ cấp, nếu dây quấn sơ cấp có đầu phân nhánh thì người ta ghi cả điện áp định mức của từng đầu phân nhánh. c) Điện áp dây thứ cấp định mức U2đm (tính bằng V hay KV) là điện áp dây của dây quấn thứ cấp khi máy biến áp không tải và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức. d) Dòng điện sơ cấp định mức Iđm và dòng điện thứ cấp định mức I2đm là dòng điện dây của các dây quấn sơ cấp và thứ cấp ứng với công suất và điện áp định mức. Ta có thể tính được các dòng điện định mức sau: - Đối với máy biến áp 1 pha: - Đối với máy biến áp 3 pha: e) Tần số định mức: fdm tính bằng Hz thường là tần số công nghiệp (50Hz) đối với các máy biến áp lực. Câu hỏi ôn tập chương 7 1. Vai trò của máy biến áp trong hệ thống điện 2. Định nghĩa máy biến áp 3. Nguyên lý làm việc cơ bản của máy biến áp 4. ý nghĩa của từng đại lượng định mức ghi trên nhãn hiệu của máy biến áp. Chương 8 Máy biến áp một pha Mọi vấn đề liên quan đến sự làm việc của máy biến áp khi phụ tải đối xứng đều được nghiên cứu trên một pha của máy biến áp ba pha hoặc trên máy biến áp một pha. Trong chương này ta sẽ nghiên cứu sự làm việc của máy biến áp một pha. 8.1. Các phương trình cơ bản của máy biến áp I. Phương trình cân bằng điện áp: Khi đặt vào dây quấn sơ cấp điện áp xoay chiều U1 trong nó sẽ có dòng điện i1 chạy qua. Nếu phía thứ cấp có tải, trong dây quấn thứ cấp có dòng điện i2 chạy, các dòng điện i1, i2 tạo nên các sức từ động (stđ) sơ cấp i1w1 và thứ cấp i2w2. Phần lớn từ thông do stđ này sinh ra khép mạch qua lá thép và móc vòng qua cả hai dây quấn sơ và thứ cấp gọi là từ thông chính f (hình 8-1). Hình 8-1 Máy biến áp một pha làm việc có tải Từ thông chính f này gây nên trong các dây quấn sơ và thứ cấp của các sức điện động chính e1, e2 như đã biết ở 7.1. Một phần rất nhỏ từ thông do các stđ i1W1 và i2W2 sinh ra bị tản ra ngoài lõi thép khép mạch qua không khí hay dầu gọi là từ thông tản. Các từ thông tản fs1 do i1 sinh ra chỉ móc vòng qua dây quấn sơ cấp và fs2 do i2 sinh ra chỉ móc vòng với dây quấn thứ cấp cũng gây nên các sđđ tương ứng. Trong đó: ys1 = W1fs1 ; ys2 = W2fs2 là tổng từ thông tản chủ yếu chỉ đi qua môi trường không từ tính có độ từ thẩm m = const nên có thể coi ys1 và ys2 tỷ lệ với dòng điện i1 và i2 qua hệ số điện cảm Ls1 và Ls2 như vậy: ys1 = L s1i1 ys2 = L s2i2 Khi dòng điện biến thiên hình sin i = Idm sinwt thì: Nghĩa là sđđ es1 cũng biến thiên hình sin theo thời gian và chậm pha so với dòng điện một góc p/2. Do đó ta có thể viết nó dưới dạng phức số. Es1 = - jI1x1 (1) Trong đó x1= wLs1 là điện kháng tản của dây quấn sơ cấp, cũng tương tự như vậy, ta có biểu thức sđđ tản của dây quấn thứ cấp: Es2 = - jI2x2 (2) Trong đó x2 = wLs2 là điện kháng tản của dây quấn thứ cấp. Theo định luật KII cho mạch vòng sơ và thứ cấp: U1 = - E1 - Es1 + I1r1 là phương trình cân bằng điện áp của dây quấn sơ cấp (3) U2 = - E2 - Es2 + I2r2 là phương trình cân bằng điện áp của dây quấn sơ cấp (4) Thay các giá trị es1, es2 ở (1) và (2) vào biểu thức (3) và (4) ta được phương trình cân bằng điện áp ở các mạch sơ và thứ cấp. Trong các phương trình này Z1 = r1 + jx1 và Z2 = r2 + jx2 là tổng trở của dây quấn sơ và thứ cấp. Các phần I1Z1; I2Z2 là các điện áp giáng trên dây quấn sơ và thứ cấp của máy biến áp. II. Phương trình cân bằng sức từ động: Khi máy biến áp có tải từ thông chính trong máy do stđ tổng (i1W1+i2W2) của dây quấn sơ và thứ cấp sinh ra. Khi máy biến áp không tải với dòng điện trong dây quấn sơ cấp là i0 thì từ thông chính do stđ i0w1 sinh ra. Nếu bỏ qua điện áp giáng trong máy biến áp ta có thể viết: U1 = - E1 = 4,44 f1w1fm Điện áp U1 thường được giữ không đổi và bằng Udm dù máy có tải hay không, nên sđđ E1 và do đó từ trường fm lúc có tải phải bằng stđ i0w1 sinh ra từ thông đó lúc không tải. Từ đó có phương trình cân bằng stđ: i1w1+i2w2 = i0w1 Nếu dòng điện biến thiên theo qui luật hình sin theo thời gian thì có thể viết dưới dạng phức: i1w1+i2w2 = i0w1 Chia hai vế cho w1 ta được: Hay với (5) Từ biểu thức (5) ta thấy khi máy biến áp có tải dòng điện trong dây quấn sơ cấp gồm hai thành phần: - Thành phần dùng để tạo nên từ thông chính trong lõi thép. - Thành phần - dùng để bù vào tác dụng của dòng điện thứ cấp. Khi phụ tải tăng tức tăng thì dòng điện sơ cấp cũng tăng để giữ cho dòng điện bảo đảm sinh ra trong máy từ thông hầu như không đổi. Như vậy dây quấn sơ cấp đã nhận thêm năng lượng từ mạng để chuyển sang dây quấn thứ cấp cung cấp cho phụ tải. 8.2. Sơ đồ thay thế của máy biến áp Để đơn giản việc tính toán ta thay thế mạch điện sơ cấp, thứ cấp và mạch từ có độ thẩm từ thay đổi của máy biến áp bằng một mạch điện tương đương gồm các điện trở, điện kháng đặc trưng cho máy biến áp gọi là sơ đồ thay thế của máy biến áp (còn gọi là mạch điện thay thế của máy biến áp). Để suy ra mạch điện thay thế của máy biến áp ta quy đổi dây quấn thứ cấp của máy biến áp về dây quấn sơ cấp, nghĩa là coi dây quấn thứ cấp có cùng số vòng dây với dây quấn sơ cấp (w2 = w1). Khi qui đổi không được làm thay đổi các quá trình vật lý và năng lượng xảy ra trong máy biến áp. Qui ước các đại lượng qui đổi đều có dấu phẩy(’) ở trên. (Ví dụ U’2, E’2 r’2, x’2, Z’2…) I. Sđđ và điện áp thứ cấp qui đổi (e’2, v’2) Do qui đổi dây quấn thứ cấp về dây quấn sơ cấp w2 = w1 nên: E’2 = E1 = K . E2 với K = gọi là hệ số qui đổi thứ cấp về sơ cấp. Tương tự điện áp thứ cấp qui đổi: U’2 = k . U2 Như vậy khi máy biến áp có tỷ số biến là K, việc qui đổi dây quấn thứ cấp về dây quấn sơ cấp tương đương với việc thay đổi sđđ (hay điện áp) thứ cấp K lần để có trị số sđđ (hay điện áp) sơ cấp. II. Dòng điện thứ cấp qui đổi I’2: Công suất thứ cấp trước và sau lúc qui đổi không thay đổi: E2 . I2 = E’2I’2, từ đó suy ra: III. điện trở, điện kháng và tổng trở thứ cấp qui đổi (R’2, x’2và z’2) Vì khi qui đổi công suất không thay đổi nên tổn hao đồng trước và sau khi qui đổi bằng nhau: I22r2 = I’22 r’2 từ đó rút ra điện trở thứ cấp qui đổi: r’2=r2. Tương tự ta có: x’2 = K2x2 z’2= r’2 + jx’2 = K2(r2 + jx2) = K2Z2 Đối với phụ tải mạch thứ cấp ta cũng có: Z’t = K2Zt Trong đó Zr = rt + jxt là tổng trở của phụ tải trước lúc qui đổi. Thay các đại lượng quy đổi vào phương trình cân bằng điện áp và phương trình cân bằng stđ, ta được hệ thống các phương trình đó ở dạng quy đổi: (6) (7) (8) Hình 8-2 Mạch điện thay thế hình T của máy biến áp Dựa vào các phương trình này ta có thể suy ra một mạch điện tương đương gọi là mạch điện thay thế của máy biến áp (hình 8-2). Các phương trình KII viết cho mạch vòng 1 và 2. Phương trình K1 viết cho nút M của mạch điện đó phù hợp với các phương trình cân bằng điện áp và cân bằng stđ đã thành lập ở trên. Từ đó máy biến áp được coi như mạng cửa hình T gồm 3 nhánh: Hai nhánh sơ cấp và thứ cấp có tổng trở là Z1 = r1+ jx1 và Z’2 = r’2+jx’2 biểu thị điện trở và điện kháng tương ứng của từng dây quấn, nhánh thứ 3 có tổng trở ZM = rm + jxm còn gọi là nhánh có dòng điện từ hoá I0 chạy qua biểu thị các hiện tượng trong lõi thép và sự liên hệ giữa các dây quấn sơ cấp và thứ cấp. Tất cả các tham số của mạch điện thay thế trừ tổng trở Z1 đều có trị số không đổi và có thể xác định được bằng thí nghiệm không tải và ngắn mạch. Trong thực tế thường ZM >> Z1 và Z2 (thường Zm = 10 á 0, còn Z1 ằ Z2 = 0,025 á 0,010) nên nhiều trường hợp có thể coi Zm = Ơ; nghĩa là I0 = 0, do đó I1ằ I’2. Như vậy mạch điện thay thế đơn giản của máy biến áp chỉ gồm tổng trở đẳng trị của mạch sơ cấp và thứ cấp gọi là tổng trở ngắn mạch của máy biến áp (hình 8-3). ZN = rN + jxN Với rN = r1 + r’2 xN = x1 + x’2 Hình 8-3 Mạch điện thay thế đơn giản của máy biến áp 8.3. Đồ thị véc tơ của máy biến áp Đồ thị véc tơ của máy biến áp vẽ dựa vào các phương trình cân bằng điện áp và stđ (6), (7), (8). Đồ thị véc tơ cho thấy quan hệ về trị số và góc lệch pha giữa các đại lượng vật lý trong máy biến áp cả sự biến thiên của chúng trong các chế độ làm việc khác nhau. Hình 8-4a Đồ thị véc tơ của MBA khi tải có tính chất điện cảm Hình 8-4b Đồ thị véc tơ của MBA khi tải có tính chất điện dung Hình 8-5 Đồ thị véc tơ đơn giản của MBA khi tải có tính chất điện cảm Đặt các véc tơ theo chiều dương của trục hoành, dòng điện I0 sinh fm vượt trước fm một góc a các véc tơ sđđ E1 và E2 = E1 chậm sau fm một góc 900. Nếu phụ tải có tính chất điện cảm thì dòng điện I’2chậm sau E’2 một góc. Theo phương trình (8) véc tơ I1 bằng tổng các véc tơ dòng điện I0 và -I’2 Theo phương trình (7) véc tơ v’2 bằng tổng các véc tơ E’2 và -E’s2 =jI’2x’2 và -I’2r2. Trong trường hợp này I’2 chậm sau v’2 một góc y2 và trị số v’2 < E’2 (hình 8-4a). Theo phương trình (6) véc tơ U1 bằng tổng véc tơ . Góc lệch pha giữa U1 và I1 là y. Khi tải có tính chất điện dung trình tự vẽ đồ thị véc tơ cũng tương tự. Nhưng trong trường hợp này dòng điện I’2 lệch pha với E’2 một góc Với phụ tải có tính chất điện dung, điện áp giáng điện dung kháng của phụ tải có thể bù với điện áp giáng trên điện kháng của dây quấn thứ cấp và kết quả điện áp U’2 có thể lớn hơn sđđ E’2 (Hình 8-4b). Tương ứng mạch điện thay thế trên hình (8-5) với I0 = 0 thì trên đồ thị ta vẽ được véc tơ - U’2 và - I’2 (tức là các véctơ U’2và I’2 quay đi 1800) để thất quan hệ giữa các điện áp sơ cấp, thứ cấp và các điện áp giáng trong máy biến áp. Lúc này ta có: U1 = - U’2 + I1 Zn U1 = - U’2 + I1r1 + jI1xn Cần chú ý trên các đồ thị véc tơ, để dễ quan sát các véc tơ điện áp giáng cần phải vẽ với tỷ lệ xích lớn hơn nhiều so với thực tế. 8.4. Xác định các tham số của máy biến áp Để xác định các tham số của máy biến áp ta tiến hành hai thí nghiệm: Thí nghiệm không tải và thí nghiệm ngắn mạch. I. Thí nghiệm không tải: Đặt điện áp U1 = Uđm vào dây quấn sơ cấp, dây quấn thứ cấp để hở mạch (hình 8-6a) ta đo được dòng điện I0; công suất P0 và các điện áp U1 và U20 khi không tải, từ đó tính được tổng trở, điện trở, điện kháng của máy biến áp khi không tải. Hình 8-6a Sơ đồ thí nghiệm không tải máy biến áp Hình 8-6b Mạch điện thay thế máy biến áp không tải Khi không tải mạch điện thay thế của máy biến áp có dạng trên hình (8-6b) do đó: x0 = x1+ xm Trong các máy biến áp lực thường r1 << rm; x << xm nên có thể coi: ro = rm ; x0 = xm và z0 = zm do đó có thể coi công suất không tải P0 là tổn hao sắt PFe do từ trễ và dòng điện xoáy trong máy biến áp gây ra. Khi không tải: Hình 8-6c Đồ thị véc tơ của máy biến áp khi không tải Đồ thị véc tơ tương ứng như hình 8-6c. Từ đồ thị véc tơ ta thấy lúc máy biến áp làm việc không tải góc lệch pha giữa điện áp U1 và I0 là j1ằ 900 nghĩa là cosj0 rất thấp (thường cosj Ê 0,1). Vì vậy trong vận hành không để máy biến áp làm việc không tải hay non tải. II. Thí nghiệm ngắn mạch: Nối ngắn mạch dây quấn thứ cấp rồi đặt vào dây quấn cấp điện áp giảm đến trị số Un sao cho dòng điện trong đó bằng dòng điện định mức (Hình 8-7a) Hình 8-7a Sơ đồ thí nghiệm ngắn mạch máy biến áp Từ các trị số Pn, Un, In đo được ta xác định các tham số của máy biến áp: ; Hình 8-7b Mạch điện thay thế máy biến áp ngắn mạch Hình 8-7c Vì thí nghiệm ngắn mạch điện áp Un đặt vào cuộn sơ cấp rất bé (chỉ bằng (5 á 15%) Uđm nên từ thông chính và dòng điện từ hoá cũng rất bé. Vì vậy mạch điện có thể xem như hở mạch nhánh từ hoá (hình 8-7b) khi còn lại một tổng trở đẳng trị (hình 8-7c) gọi là tổng trở ngắn mạch của máy biến áp. Vì dòng điện I0 rất bé nên có thể coi công suất lúc ngắn mạch chỉ để bù vào tổn hao đồng trong các dây quấn sơ và thứ cấp. P0 = Pcu1 + Pcu2 = I21nr1 + I’22r’2 = I21n(r1+ r’2) = I21nrn Điện áp Un đặt vào khi ngắn mạch hoàn toàn cân bằng với điện áp giáng trong máy biến áp. Có thể coi Un gồm hai thành phần (hình 8-8). Hình 8-8 Đồ thị véc tơ của MBA khi ngắn mạch (a) và tam giác ngắn mạch (b) 1) Thành phần tác dụng: là điện áp giáng trên điện trở: Unr = I1r1 2) Thành phần phản kháng: là điện áp giáng trên điện kháng Unx = I1xn Trên đồ thị véc tơ của máy biến áp khi ngắn mạch với In = Iđm (hình 8-8a). Tam giác OAB gọi là tam giác ngắn mạch (hình 8-8b). Cạnh huyền biểu thị điện áp ngắn mạch toàn phần Un, các cạnh góc vuông là các thành phần điện áp ngắn mạch tác dụng và điện áp ngắn mạch phản kháng. Unr = Uncosjn ; Unx = Un sin jn ; Trong đó jn là góc lệch pha giữa Un và In. Như vậy điện áp ngắn mạch là một đại lượng đặc trưng cho điện trở và điện kháng của máy biến áp. Trong các máy biến áp đếm lực điện áp ngắn mạch được ghi trên nhãn hiệu của máy theo tỷ lệ phần trăm so với điện áp định mức. Khác với trường hợp ngắn mạch thí nghiệm vừa xét, khi ngắn mạch vận hành (hay ngắn mạch sự cố) toàn bộ điện áp định mức đặt vào dây quấn sơ cấp của máy biến áp nên dòng điện ngắn mạch sự cố rất lớn: Thí dụ: máy biến áp có UN% = 10 thì dòng điện ngắn mạch sự cố sẽ bằng: 8.5. Chế độ có tải của máy biến áp I. Giản đồ năng lượng của máy biến áp: Công suất P1 = U1I1cosj1 đưa vào máy biến áp một phần bị tiêu hao trên điện trở dây quấn sơ cấp Pcu1 = r1I21 và tổn hao lõi thép PFe. Phần còn lại là công suất điện từ Pdt truyền sang phía thứ cấp. Pđiện tích = P1- Pcu1 – PFe = E’2I’2 cosj2 Hình 8-9 Giản đồ năng lượng của máy biến áp Một phần của công suất điện từ bù vào tổn hao trên dây quấn thứ cấp Pcu2 = r’2I’22 phần còn lại là công suất đầu ra của máy biến áp: P2 = Pdt – Pcu2 = U’2I’2cosj2. Tương tự như vậy một phần của công suất phản kháng đầu vào Q1= U1I1sinj1 dùng để thành lập từ trường tản của dây quấn sơ cấp q1= x1I21 và từ trường trong lõi thép qm = xmI20; phần còn lại đưa sang dây quấn thứ cấp. Qdt = Q1 – q1 – qm = E’2I’2sinj2 Công suất phản kháng đầu ra: Q2 = Qdt – q2 = U’2I’2sinj2 trong đó q2 = I’2x’2 là công suất thành lập từ trường tản của dây quấn thứ cấp. Khi tải có tính chất điện cảm j2 > 0 thì Q2 > 0 và công suất phản kháng được truyền từ phía sơ cấp sang phía thứ cấp. Khi phụ tải có tính chất điện dung j2 0. II. Độ thay đổi điện áp của máy biến áp Khi phụ tải của máy biến áp thay đổi thì điện áp thứ cấp U2 cũng thay đổi (vì điện áp giáng trên dây quấn sơ cấp và thứ cấp máy biến áp thay đổi). Hiệu số số học giữa trị số điện áp thứ cấp U20 lúc không tải và U2 lúc có tải trong điều kiện U1= U1dm (không đổi) gọi là độ thay đổi điện áp của máy biến áp. Độ thay đổi điện áp thường được tính theo % so với điện áp định mức. Để xác định độ thay đổi điện áp ta dùng đồ thị véc tơ đơn giản trên hình 8-10. Hình 8-10 Xác định DU của máy biến áp Giả sử máy biến áp làm việc với hệ số tải và cosj2 đã biết trong tam giác điện áp ABC. Vẽ AB ^ U2 và BC // U’2 (đoạn Bb cắt Ap kéo dài tại b) Có thể xem gần đúng: U1dm – U2 ằ OP = OC = CP = Ca + aP Từ đồ thị véc tơ ta có: Ca = CBcosj2 aP = Bb = ABsinj2 vậy DU = U1dm – U2 = CBcosj2 + ABsinj2 = b (Unrcosj2 + Unxsinj2) Hay Biểu thức trên cho thấy độ thay đổi điện áp DU phụ thuộc vào cấu tạo của máy biến áp (phụ thuộc vào Unr và Unx), phụ thuộc vào hệ số tải và tính chất của phụ tải. Quan hệ giữa điện áp thứ cấp U2 và dòng điện tải gọi là đặc tính ngoài của biến áp: U2 = f(I2) (hình 8-11). Vì độ thay đổi điện áp nên quan hệ U2 = f(I2) cũng phụ thuộc vào tính chất của phụ tải. Hình 8-11 Đặc tính ngoài của máy biến áp Trong vận hành muốn giữ cho điện áp không đổi khi phụ tải của máy biến áp thay đổi thì điều chỉnh điện áp bằng cách thay đổi số vòng dây, nghĩa là thay đổi tỷ số biến 8.6. Hiệu suất của máy biến áp Hiệu suất của máy biến áp là tỷ số công suất đầu ra P2và công suất đầu vào P1: Hay Khi máy biến áp vận hành với phụ tải I2 và cosj2 đã biết có thể xác định hiệu suất của máy bằng cách tính các tổn hao Pcu và PFe ứng với tải đó. Đặt hệ số tải do U2 ằ U20 nên Sdm = U20I2dm ằ U2.I2dm Từ đó có P2 = bSdmcosj2 Tổn hao đồng trong dây các dây quấn máy biến áp với tải I2 là: Pcu = I22rn = b2Pn. Như vậy: Theo biểu thức trên khi cosj2 = const thì hiệu suất của máy biến áp chỉ phụ thuộc vào hệ số tải b và đạt được cực đại khi nghĩa là: Khi hay b2Pn = P0 Như vậy ở tải không đổi khi tổn hao không đổi bằng tổn hao biến đổi, hay tổn hao sắt bằng tổn hao đồng thì hiệu suất của máy biến áp đạt cực đại. Vì các tổn hao trong máy biến áp rất bé nên hiệu suất của máy biến áp rất cao (có thể trên 99% đối với máy biến áp có công suất lớn). Câu hỏi ôn tập chương 8 1. Thành lập phương trình cân bằng stđ và sđđ trong máy biến áp. 2. ý nghĩa của thí nghiệm không tải và thí nghiệm ngắn mạch máy biến áp. 3. Độ thay đổi điện áp và do đó quan hệ U2 = f(I2) phụ thuộc vào những yếu tố nào. 4. Tại sao máy biến áp có công suất lớn thì hiệu suất lại nhỏ Chương 9 Máy biến áp ba pha 9.1. Phân loại máy biến áp ba pha: Để biến đổi điện áp ba pha trong các hệ thống điện áp ba pha có thể dùng máy biến áp tổ hợp ( ba máy biến áp một pha ghép lại) (hình 9-1a). Hình 9-1a Tổ máy biến áp ba pha Hình 9-1b Máy biến áp ba pha trụ Khuyết điểm: Cấu tạo cồng kềnh, trọng lượng chung lớn, giá thành cao nên máy biến áp ba pha tổ hợp chỉ dùng cho máy biến áp có công suất lớn (từ 360 MVA trở lên). Ưu điểm: Thuận tiện cho việc di chuyển và lắp ráp từng pha. Với các máy có công suất trung bình và bé người ta dùng máy biến áp 3 pha ba trụ (hình 9-1b) có hình dạng gọn nhỏ, tốn ít nguyên liệu và giá thành rẻ hơn. Do kết cấu lõi thép của máy biến áp ba pha ba trục không đối xứng, ở trục giữa có mạch từ ngắn nên dòng điện từ hoá của ba pha cũng không đối xứng. Thường IoA = IoC = 1,2 IoB Tuy nhiên sự không đối xứng này ảnh hưởng nhiều đến sự làm việc bình thường của máy biến áp vì bản thân dòng điện từ hoá rất bé so với dòng điện định mức. 9.2. Các phương pháp nối dây quấn: Các dây quấn pha sơ cấp và thứ cấp có thể nối hình sao (ký hiệu bằng dấu “Y”) hoặc hình tam giác (ký hiệu bằng dấu “D”). Nếu nối hình sao có dây trung tính thì ký hiệu bằng dấu “Y0”). Các máy biến áp lực dây quấn cao áp CA thường nối hình “Y” để giảm bớt mức cách điện (); còn dây quấn hạ áp đấu “D” để chọn được tiết diện dây quấn theo dòng điện pha (). Dây quấn “Y0” được dùng ở các máy biến áp cung cấp cho tải hỗn hợp vừa dùng điện áp dây (để cung cấp cho các động cơ điện không đồng bộ) vừa dùng điện áp pha (để cung cấp cho chiếu sáng và sinh hoạt). Các đầu đầu và đầu cuối trên sơ đồ ký hiệu dây quấn của máy biến áp thường được đánh dấu theo qui ước ở bảng (9-1). Các đầu tận cùng Dây quấn cao áp CA Dây quấn hạ áp HA Sơ đồ ký hiệu dây quấn Đầu đầu A, B, C a, b, c Hình Đầu cuối X, Y, Z x, y, z Đầu trung tính 0 0 Chú ý: Đối với dây quấn một pha có thể chọn tuỳ ý đầu đầu và đầu cuối. Đối với dây quấn ba pha các đầu đầu và đầu cuối phải chọn một cách thống nhất sao cho trong cả ba pha từ đầu đầu đến đầu cuối chiều dây quấn phải giống nhau thuận chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ. 9.3. tổ nối dây của máy biến áp Tổ nối dây của máy biến áp biểu thị góc lệch pha giữa sđđ dây sơ cấp và thứ cấp tương ứng. Góc lệch pha này phụ thuộc chiều dày dây quấn, cách ký hiệu các đầu dây và kiểu nối dây ở các dây quấn sơ và thứ cấp. Hình 9-2 Hình 9-3: Tổ nối dây Y/Y – 12 Hình 9-4: Tổ nối dây Y/D - 11 Xét một máy biến áp một pha có các dây quấn sơ và thứ cấp quấn cùng chiều trên lõi thép và ký hiệu các đầu dây như nhau (thí dụ A và a ở phía trên, X và x ở phía dưới). Khi từ thông biến thiên trong lõi thép, các sđđ cảm ứng trong chúng hoàn toàn đồng pha hoặc có cùng chiều từ đầu đầu đến đầu cuối, hoặc từ đầu cuối đến đầu đầu (hình 9-2). Khi đổi chiều quấn dây của một trong hai dây quấn (thí dụ của dây quấn thứ cấp như trên hình 9-2b) hoặc đổi ký hiệu đầu dây của một dây quấn (thí dụ cũng của dây quấn thứ cấp như trên hình 9-2c) thì các sđđ trong hai dây quấn sẽ ngược nhau, góc lệch pha giữa chúng là 1800. ở các máy biến áp 3 pha do cách nối dây quấn theo hình Y hoặc theo hình D với các trình tự khác nhau mà góc lệch pha giữa các sđđ dây 300, 600…3600. Trong thực tế người ta dùng phương pháp kim đồng hồ để chỉ và gọi tên tổ nối dây của máy biến áp. Theo phương pháp này kim dài của đồng hồ chỉ sđđ dây sơ cấp đặt cố định ở con số 12. Kim ngắn chỉ sđđ dây thứ cấp tương ứng ở số 1, 2, 3, … 12 tuỳ theo góc lệch pha giữa chúng là 360, 600… 3600. Như vậy ở máy biến áp một pha có hai tổ đấu dây: ở trường hợp hình 9-2a máy biến áp thuộc tổ nối dây I/II – 12 (vì góc lệch pha giữa hai sđđ là 3600). ở trường hợp của hình 9-2b hoặc 9-2c các máy biến áp có tổ nối dây I/I -6 (vì góc lệch pha là 1800). Đối với máy biến áp 3 pha có 12 tổ nối dây. Khi máy biến áp có hai đầu dây quấn nối Y cùng chiều quấn dây và cùng ký hiệu đầu dây (hình 9-3) thì các hình sao sđđ của hai dây quấn sơ và thứ cấp hoàn toàn trùng nhau nên góc lệch pha giữa hai điện áp dây tương ứng bằng 0 (hoặc 3600). Như vậy máy biến áp thuộc tổ đấu dây Y/Y – 12. Nếu đổi chiều dây quấn hoặc đổi ký hiệu đầu dây của dây quấn thứ cấp ta có tổ đấu dây Y/Y -6 hoán vị các pha của dây quấn thứ cấp ta sẽ có các tổ nối dây 2, 4, 8 và 10. Cũng máy biến áp trên khi các dây quấn nối theo hình Y/D (hình 9-4) thì góc lệch pha giữa điện áp dây sơ cấp và thứ cấp tương ứng là 3300. Máy biến áp thuộc tổ đấu dây Y/D - 11. Thay đổi chiều quấn dây hay ký hiệu đầu dây của dây quấn thứ cấp ta có tổ đấu dây Y/D - 5. Hoán vị các pha của dây quấn thứ cấp ta sẽ có các tổ nối dây 1, 3, 7 và 9. Với tóm lại các máy biến áp nối Y/Y có các tổ nối dây chẵn; còn các máy biến áp đấu Y/D có tổ nối dây lẻ: Trong thực tế ở nước ta chỉ sản xuất các máy biến áp ba pha thuộc các tổ đấu dây Y/Y0 – 12; Y/D - 11; ở các máy biến áp một pha I/I – 12. 9.4. Những hiện tượng xuất hiện khi từ hoá lõi thép của máy biến áp: Khi từ hoá lõi thép máy biến áp, do sự bão hoà mạch từ sẽ xuất hiện những hiện tượng mà trong một số trường hợp có ảnh hưởng xấu đến sự làm việc của máy biến áp. Sau đây ta xét ảnh hưởng đáng kể đó khi máy biến áp làm việc không tải. I. Máy biến áp một pha: Khi đặt máy biến áp xoay chiều hình sin và dây quấn sơ cấp của máy biến áp một pha từ trong mạch từ cũng có từ thông hình sin: f = fm sinwt Hình 9-5 Xây dựng đường cong i0 (t) khi từ thông f(t) hình sin Hình 9-6 Dòng điện từ hoá nhọn đầu Tuy nhiên do hiện tượng bão hoà của lõi thép khi từ thông là hình sin thì dòng điện từ hoá i0 sẽ có dạng nhọn đầu (hình 9-5) nghĩa là ngoài thành phần sóng cơ bản i01 còn có các sóng điều hoà bậc cao, trong đó thành phần i03 có biên độ lớn nhất (hình 9-6). Nếu bỏ qua tổn hao trong lõi thép thì i0 trùng pha với f, mạch từ càng bão hoà, i0 càng nhọn đầu và thành phần i03 càng lớn. II. Máy biến áp ba pha: Khi các máy biến áp ba pha làm việc không tải dòng điện điều hoà bậc ba trong các pha như sau: i03A = I03sin 3wt i03B = I03sin 3(wt – 1200) = I03sin 3wt i03C = I03sin 3(wt + 1200) = I03sin 3wt Như vậy chúng trùng pha nhau, nghĩa là tại mọi thời điểm chúng có chiều như nhau trong cả ba pha. 1) Trường hợp máy biến áp đấu Y/Y: Vì dây quấn sơ cấp đấu Y nên thành phần dòng điện bậc ba i03 không tồn tại; dòng điện từ hoá i0 có dạng hình sin từ thông f do nó sinh ra có dạng vạt đầu (đường đậm trên hình 9-7a). Hình 9-7 Đường biểu diễn từ thông (a) và sức điện động (b) của tổ máy biến áp ba pha nối Y/Y Như vậy có thể xem từ thông f gồm sóng cơ bản f1 và các sóng điều hoà bậc cao f3, f5 trong đó có thể bỏ qua các sóng điều hoà bậc cao hơn 3 vì chúng có trị số rất nhỏ. Đối với máy biến áp ba pha, từ thông f3 của cả ba pha cùng chiều với nhau tại mọi thời điểm, dễ dàng khép kín trong lõi thép của từng pha (hình 9-8a) có từ trở bé, do đó có trị số khá lớn có thể đạt tới (15 á 20)% f1. Kết quả là trong các dây quấn sơ và thứ cấp ngoài sđđ cơ bản e1 do f1cảm ứng nên (chậm pha sau f1 900) còn sđđ e3 khá lớn (có thể đạt tới 45 á 60% E1) do đó sđđ tổng trong từng pha e = e1+ e3 có dạng nhọn đầu (hình 9-7b) có biên độ tăng cao có thể chọc thủng cách điện của dây quấn làm hư hỏng thiết bị đo lường và gây ảnh hưởng đến các đường dây thông tin nếu trung tính có nối đất. Bởi vậy trong thực tế không dùng tổ máy biến áp ba pha nối Y/Y. Những hiện tượng tương tự cũng xẩy ra trong máy biến áp ba pha năm trụ, các máy biến áp này cũng không nối Y/Y. ở các máy biến áp ba pha trụ, các từ thông f bằng nhau và cùng chiều tại mọi thời điểm, không thể khép mạch từ trụ này qua trụ khác mà bị đẩy ra ngoài mà khép mạch qua không khí hoặc dầu (hình 9-8b) là những môi trường có từ trở lớn. Vì vậy f3 không lớn lắm mà có thể xem từ thông tổng và do đó sđđ pha là hình sin. Tuy nhiên từ thông f3 đập mạch với tần số 3f qua vách thùng và các bu lông ghép… sẽ gây nên tổn hao phụ làm cho hiệu suất của máy biến áp giảm. Do đó máy biến áp ba pha ba trụ nối Y/Y cũng chỉ dùng với công suất 5000 KVA trở xuống. Hình 9-8a Từ thông f3 trong tổ MBA ba pha Hình 9-8b Từ thông f3 trong MBA ba pha ba trụ 2. Trường hợp máy biến áp nối D/Y (hình 9-9): Các dòng điện I03 khép kín trong tam giác của dây quấn sơ cấp. Vì vậy dòng điện từ hoá i0 chứa thành phần bậc ba có dạng nhọn đầu nên từ thông tổng và các sđđ của các dây quấn sơ và thứ cấp đều có dạng hình sin. Hình 9-9 Dòng điện điều hoà bậc ba trong máy biến áp nối D/Y 3. Trường hợp máy biến áp nối Y/D: Do dây quấn sơ cấp đấu Y nên dòng điện từ hoá trong đó không có thành phần điều hoà bậc ba nên i0 có dạng hình sin, f có dạng vạt đầu và có thành phần f3Y. Từ thông f3Y cảm ứng sang dây quấn thứ cấp sđđ E23 chậm sau nó một góc gần 900 (hình 9-10). Hình 9-10 Tác dụng của dòng điện i23 khi máy biến áp nối Y/D Sđđ này lại gây nên trong mạch vòng thứ cấp nối tam giác (D) dòng điện i23 chậm sau e2 một góc gồm 900 (vì điện kháng của dây quấn rất lớn). Dòng điện i23 sinh ra từ thông f3A coi như đồng pha với i23 nghĩa là gần ngược pha với f3Y. Do đó từ thông tổng bậc ba f3 = f3Y + f3D gần như bị triệt tiêu. Kết quả là sđđ gần hình sin. Tóm lại: khi máy biến áp làm việc không tải các cách nối dây D/Y hay Y/D đều tránh được tác hại của từ thông và sđđ điều hoà bậc ba. 9.5. Máy biến áp làm việc song song: Các máy biến áp muốn làm việc song song phải thoả mãn ba điều kiện sau: + Điện áp sơ cấp và thứ cấp của các máy phải bằng nhau, nghĩa là tỷ số biến K bằng nhau. + Điện áp ngắn mạch của các máy biến áp bằng nhau. + Các máy biến áp phải cùng tổ đấu dây (Đây là điều kiện quan trọng nhất). Dưới đây ta sẽ xét ảnh hưởng riêng rẽ của từng điều kiện đối với sự làm việc song song của máy biến áp. I. Điều kiện tỷ số biến đổi phải bằng nhau: Để đơn giản, ta xét trường hợp ghép song song hai máy biến áp một pha có cùng công suất (Hình 9-11). Hình9-11 Sơ đồ ghép song song hai MBA một pha Giả sử điện áp sơ cấp của chúng bằng nhau và KI E2II và ngay khi không tải đã có dòng điện cân bằng Icb sinh ra bởi điện áp DE = E2I – E2II chạy trong dây quấn của hai máy biến áp theo chiều ngược nhau. Dòng điện chậm sau DE một góc 900 (vì dây quấn có x >> r) các điện áp giáng do Icb sinh ra sẽ bù với sđđ E2I và E2II . Kết quả là trên mạch thứ cấp có chung điện áp U2 (hình 9-12a). Hình9-12 Đồ thị véc tơ khi không tải (a) và sự phân phối tải (b) của các máy biến áp làm việc song song. Khi có tải, dòng điện cân bằng (Icb) sẽ cộng với dòng điện tải (It) làm cho hệ số tải lẽ ra cân bằng trở thành khác nhau, ảnh hưởng xấu đến việc lợi dụng công suất của các máy biến áp (hình 9-12b). Từ hình 9-12b ta thấy: + Nếu máy hai đầy tải thì máy một non tải. + Nếu máy một đầy tải thì máy hai quá tải. Vì vậy người ta quy định về tỷ số biến đổi của các máy biến áp làm việc song song không vượt quá 5% trị số trung bình của chúng: II. Điều kiện trị số điện áp ngắn mạch bằng nhau: Giả sử U2I > U2II nếu điện áp ngắn mạch càng lớn thì tổng trở ngắn mạch của máy biến áp cũng càng lớn do đó đặc tính ngoài U2 = f(I’2) của máy biến áp I có Un1 sẽ dốc hơn đặc tính ngoài của máy biến áp II có UnII nhỏ hơn (Hình 9-13). Khi 2 máy biến áp làm việc song song trong mạch thứ cấp có điện áp chung U2 dòng điện tải của hai máy sẽ khác nhau: I’nII > InI. Hình 9-13 Đặc tính ngoài của các MBA có Un khác nhau làm việc song song Chú ý: Khi các máy biến áp làm việc song song với các tổng trở ngắn mạch bất kỳ; các điện áp giáng trên chúng luôn luôn bằng nhau. Nghĩa là: (1) Như vậy dòng điện tải của các máy biến áp làm việc song song tỷ lệ nghịch với tổng trở ngắn mạch của chúng. Mặt khác, giả sử các thành phần tác dụng và phản kháng của các điện áp giáng ngắn mạch cũng khác nhau (UnrI ạ UnrII; UnxI ạ UnxII) thì từ đồ thị véc tơ đơn giản (Hình 9-14) ta thấy các thành phần điện áp giáng tác dụng I’2rnI và I’2IIrnII của tam giác điện áp giáng và các dòng điện I’2I, I’2II tương ứng song song với nhau. Chúng lệch pha nhau 1 góc y1. Dòng điện tải chung trong mạch bằng tổng hình học của các véc tơ dòng điện tải của hai máy biến áp. Vì góc y1 rất bé nên có thể thay tổng hình học đó bằng tổng số học, nghĩa là coi I = I2I + I2II. Trong trường hợp này để xác định được sự phân phối tải giữa hai máy làm việc song song theo biểu thức (1). Vì điện áp trên các cực của máy biến áp làm việc song song bằng nhau nên các dòng điện I2I và I2II tỷ lệ thuận với công suất S1 và S2 nên: Hay Hình 9-14 Tải của các MBA có un khác nhau làm việc song song Như vậy tải của các máy biến áp làm việc song song tỷ lệ nghịch với điện áp ngắn mạch của chúng, chỉ khi điện áp ngắn mạch bằng nhau thì tải mới phân phối tỷ lệ với công suất định mức của máy biến áp. Theo quy định điện áp ngắn mạch của các máy biến áp làm việc song song không được khác nhau quá 10% và tỷ lệ không được vượt quá 3 : 1. II. Điều kiện cùng tổ đấu dây: Nếu các máy biến áp làm việc song song có cùng tổ đấu dây thì điện áp thứ cấp của chúng sẽ trùng pha nhau. Ngược lại khi tổ đấu dây của chúng khác nhau thì giữa các điện áp thứ cấp sẽ có góc lệch pha có trị số do tổ đấu dây quyết định. Thí dụ nếu máy biến áp một có tổ đấu dây Y/D - 11, máy biến áp hai có tổ đấu dây Y/Y – 12 thì điện áp thứ cấp của chúng sẽ lệch nhau 300(hình 9-15) do vậy trong mạch nối tiếp các dây quấn thứ cấp của hai máy biến áp sẽ xuất hiện một sđđ. DE = 2E sin150 = 0,518E Kết quả ngay khi không tải các dây quấn sơ cấp và thứ cấp của các máy biến áp đã có dòng điện cân bằng. Dòng điện cân bằng này có trị số khá lớn có thể làm hỏng máy biến áp. Hình 9-15 Điện áp và dòng điện của các MBA có tổ nối dây khác nhau làm việc song song Thí dụ: Đối với hai máy biến áp trên nếu: ZnI* = ZnII* = 0,05 thì: Câu hỏi ôn tập chương 9 1. Tổ đấu dây của máy biến áp phụ thuộc vào những yếu tố nào ? Sự cần thiết phải xác định tổ đấu dây. 2. Vẽ các sơ đồ tổ nối dây và đồ thị véc tơ xác định đấu dây của các máy biến áp Y/Y – 12 và Y/D - 11. 3. Các máy biến áp muốn làm việc song song phải đảm bảo điều kiện gì? Trong đó điều kiện nào là chủ yếu ? Tại sao ? Chương 10 Các loại máy biến áp khác 10.1. máy biến áp ba dây quấn: I. Khái niệm chung: Máy biến áp ba dây quấn có một dây quấn sơ cấp và hai dây quấn thứ cấp dùng để cung cấp điện cho điện áp khác nhau tương ứng với các tỷ số biến đổi. ; ; Máy biến áp ba dây quấn cũng được chế tạo theo kiểu máy biến áp ba pha tổ hợp hoặc máy biến áp ba pha ba trụ với các tổ đấu dây: Y0/Y0 /D - 12 – 11 và Y0 /D- 11 – 11ư Theo quy định công suất của các dây quấn được chế tạo theo tỷ lệ sau: 100/100/100% 100/100/66,7% 100/66,7/66,7% 100/66,7/100% Công suất định mức của máy biến áp ba dây quấn lấy theo công suất của dây quấn sơ cấp (Công suất lớn nhất). II. Phương trình cơ bản, mạch điện thay thế và đồ thị véc tơ: Nếu bỏ qua dòng điện từ hoá (vì có trị số rất nhỏ). Sau khi qui đổi các dây quấn 2 và 3 về dây quấn 1 ta có các phương trình cơ bản sau: Hình 10-1a Mạch điện thay thế của MBA ba dây quấn Hình10-1b Đồ thị véc tơ của máy biến áp ba dây quấn Trong đó: Z1 = r1 + jx1 Z’2 = r’2 + jx’2 Z’3 = r’3 + jx’3 Tương ứng với các phương trình cơ bản trên, ta vẽ được mạch điện thay thế và đồ thị véc tơ trên hình 10-1a và hình 10-1b. III. Độ thay đổi điện áp: Cũng như máy biến áp hai dây quấn, các điện áp ra của máy biến áp ba pha ba dây quấn thay đổi theo trị số và tính chất của các dòng điện phụ tải I2 và I3. Chú ý: Khi tải của một dây quấn thứ cấp thay đổi thì sẽ ảnh hưởng đến cả điện áp của dây quấn thứ cấp kia do điện áp giáng IIZI trong dây quấn sơ cấp thay đổi. 10.2. Máy biến áp tự ngẫu: Máy biến áp tự ngẫu là một máy biến áp trong đó một bộ phận của dây quấn đồng thời thuộc cả hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp. Trong máy biến áp tự ngẫu, giữa các dây sơ cấp và thứ cấp ngoài liên hệ với nhau về từ còn liên hệ trực tiếp về điện. Cũng như các máy biến áp thông thường khác, máy biến áp tự ngẫu có các máy biến áp tăng, giảm áp một pha (hình 10-2) và ba pha. Hình 10-2a Máy biến áp tự ngẫu một pha tăng áp Hình 10-2b Máy biến áp tự ngẫu một pha giảm áp Xét máy biến áp một pha (hình 10-2a) với dây quấn sơ cấp có số vòng WAX đặt vào điện áp U1 = UAX. Dây quấn thứ cấp có số vòng WAX là số vòng của dây quấn sơ cấp. Khi máy làm việc không tải Trong đó là tỷ số biến đổi của máy biến áp tự ngẫu. Thành phần điện áp: Khi ngắn mạch máy biến áp tự ngẫu, trong mạch sơ cấp có dòng điện I1 còn trong dây dẫn nối ngắn mạch các cực a – x có dòng I2. Dòng I1 chỉ chạy trên dây quấn A –a của dây quấn sơ cấp, còn trên phần chung a –x có dòng Iax bằng tổng hình học của các dòng điện I1và I2. Như vậy trong máy biến áp tự ngẫu giảm áp, dòng điện trên phần chung a-x cùng chiều với dòng I2 và ngược chiều với dòng I1 . Dòng I1 chỉ chạy trên dây quấn A-a có điện trở tác dụng. Do tổn hao đồng trên phần A-a: (1) Trong phần chung a-x có dòng điện I2 chạy, dòng điện này nhỏ hơn lần so với dòng điện trong máy biến áp thông thường. Do đó trong cả hai trường hợp mật độ dòng điện như nhau thì điện trở phần a-x của dây quấn máy biến áp tự ngẫu là: Trong đó r2 là điện trở của dây quấn máy biến áp thông thường. Vậy tổn hao trên phần a-x: (2) Từ các công thức (1) và (2) có thể xem máy biến áp tự ngẫu như một máy biến áp thông thường với các dây quấn sơ cấp có điện trở tác dụng giảm đi lần nghĩa là: Điện trở ngắn mạch của máy biến áp tự ngẫu: Tổn hao ngắn mạch: Đối với điện kháng cũng tương tự: Điện áp ngắn mạch: Do điện áp ngắn mạch UnT của máy biến áp tự ngẫu bé nên dòng điện ngắn mạch trong nó lớn hơn dòng điện ngắn mạch trong máy biến áp thông thường. ở chế độ có tải, công suất đưa vào máy biến áp tự ngẫu là S = U1I1. Nếu bỏ qua tổn hao trong máy thì S1 = U1I1 = U2I2. Công suất S1 = S2 gọi là công suất truyền tải Stt của máy biến áp tự ngẫu. Tuy nhiên việc chế tạo máy biến áp tự ngẫu không dựa vào công suất truyền tải mà dựa vào công suất thiết kế Stk để xác định kích thước và trọng lượng của máy. Trong máy biến áp thông thường Stk = Stt nhưng trong máy biến áp tự ngẫu thì: Như vậy tiêu hao về vật liệu trong máy biến áp tự ngẫu cũng giảm khi U1 khác U2 càng ít. Tuy nhiên khi U1 = U2 thì năng lượng được truyền trực tiếp từ mạng sơ cấp sang mạng thứ cấp mà không có sự biến áp nữa. Trong thực tês các máy biến áp tự ngẫu được chế tạo với tỷ số biến đổi K Ê 2,5 để liên lạc giữa các mạng điện có U = 110KV; 154KV; 220KV; 330KV; 500KV… Tóm lại: máy biến áp tự ngẫu kinh tế hơn máy biến áp thông thường về mặt chế tạo cũng như trong vận hành. Tiêu hao vật liệu sắt từ và vật liệu dây quấn ít hơn. Tổn hao công suất bé, độ thay đổi điện áp ít, tuy nhiên máy biến áp tự ngẫu cũng có các nhược điểm sau: - Giữa dây quấn sơ cấp và dây quấn thứ cấp liên hệ trực tiếp với nhau về điện (nguy hiểm cho người vận hành). - Dòng điện ngắn mạch lớn vì điện áp ngắn mạch bé. 10.3. Máy biến áp hàn Được chia làm nhiều loại có cơ cấu và đặc tính khác nhau: ở đây ta chỉ xét máy biến áp hàn hồ quang. Hình 10-3 Sơ đồ nguyên lý máy biến áp hàn Máy biến áp hàn hồ quang có điện áp không tải khoảng 60 á 70V đủ để phát sinh hồ quang, đồng thời đặc tính ngoài rất dốc, để hạn chế dòng điện ngắn mạch và đảm bảo hồ quang cháy ổn định. Để có đặc tính ngoài mong muốn máy biến áp cần được chế tạo với sự tản từ khá lớn hoặc ngay trong máy biến áp, hoặc ngay trong cuộn cảm bên ngoài. Việc điều chỉnh dòng điện hàn có thể thực hiện bằng cách thay đổi số bối dây quấn, hoặc chỉnh trơn trượt bằng cách thay đổi từ trở của mạch từ của bản thân máy biến áp hoặc của cuộn cảm mắc nối tiếp với máy biến áp (hình 3-10). Cuộn cảm nằm trong máy biến áp có khe hở có trị số có thể điều chỉnh được trong phạm vi 6 á 7 mm để điều chỉnh dòng điện hàn. Mục lục Trang Lời nói đầu 3 Phần thứ nhất: máy điện một chiều 5 Chương 1 Đại cương về máy điện một chiều 5 1 – 1. Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điện một chiều 5 1 – 2. Kết cấu của máy điện một chiều 7 1 – 3. Các đại lượng định mức 11 Chương 2 Dây quấn phần ứng của máy điện một chiều 12 2 – 1. Cấu tạo của dây quấn phần ứng 12 2 – 2. Dây quấn xếp đơn 15 2 – 3. Dây quấn sóng đơn 18 2 – 4. Sức điện động của dây quấn phần ừng 22 2 – 5. Mô men quay điện từ và công suất điện từ 24 Chương 3 Phản ứng phần ứng của máy điện một chiều 26 3 – 1. Từ trường của cực từ 26 3 – 2. Từ trường của phần ứng 27 3 – 3. Phản ứng phần ứng 29 Chương 4 Đổi chiều dòng điện 33 4 – 1. Khái niệm chung 33 4 – 2. Quá trình đổi chiều 34 4 – 3. Các biện pháp cải thiện đổi chiều 39 Chương 5 Máy phát điện một chiều 42 5 – 1. Khái niệm chung 42 5 – 2. Quá trình năng lượng và phương trình cân bằng điện áp 43 5- 3. Các đặc tính của máy phát điện kích thích độc lập 44 5 – 4. Đặc tính của máy phát điện một chiều kích thích song song 48 5 – 5. Đặc tính của máy phát điện một chiều kích thích nối tiếp 51 5 – 6. Đặc tính của máy phát điện một chiều kích thích hỗn hợp 52 5 – 7. Máy phát điện một chiều làm việc song song 53 Chương 6 Động cơ điện một chiều 57 6 – 1. Khái niệm chung 57 6 – 2. Mở máy động cơ điện một chiều 59 6 – 3. Điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều 61 6 – 4. Đặc tính làm việc của động cơ điện một chiều 69 Phần thứ hai: máy biến áp 71 Chương 7 Đại cương về máy biến áp 71 7 – 1. Khái niệm chung 71 7 – 2. Nguyên lý làm việc của máy biến áp 72 7 – 3. Cấu tạo của máy biến áp 74 7 – 4. Các lượng định mức 76 Chương 8 Máy biến áp một pha 78 8 – 1. Các phương trình cơ bản của máy biến áp 78 8 – 2. Sơ đồ thay thế của máy biến áp 81 8 – 3. Đồ thị véc tơ của máy biến áp 83 8 – 4. Xác định các tham số của máy biến áp 85 8 – 5. Chế độ có tải của máy biến áp 89 8 – 6. Hiệu suất của máy biến áp 91 Chương 9 Máy biến áp ba pha 93 9 – 1. Phân loại máy biến áp ba pha 93 9 – 2. Các phương pháp nối dây quấn 94 9 – 3. Tổ nối dây của máy biến áp 95 9 – 4. Những hiện tượng xuất hiện khi từ hoá lõi thép máy biến áp 96 9 – 7. Máy biến áp làm việc song song 100 Chương 10 Các loại máy biến áp 106 10 – 1. Máy biến áp 3 dây quấn 106 10 – 2. Máy biến áp tự ngẫu 107 10 – 3. Máy biến áp hàn 110