máy điện 1

Máy điện là thiết bị điện từ, nguyên lý làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện tư,ì về cấu tạo gồm mạch từ lõi thép và mạch điện dây quấn, dùng để biến đổi các dạng năng lượng như cơ n

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Lời nói đầu

Máy điện nghiên cứu những ứng dụng của các hiện tượng điện từ nhằm biến đổi năng lượng Máy điện là phần tử quan trọng nhất của bất kỳ thiết bị điện năng nào Nó được sử dụng rộng rãi trong dân dụng, nông nghiệp, công nghiệp, giao thông vận tải, các hệ điều khiển và tự động điều chỉnh, khống chế

Điện năng được sử dụng rộng rãi trong mọi lãnh vực vì các ưu điểm sau: • Điện năng được sản xuất tập trung với nguồn công suất lớn

• Điện năng có thể truyền tải đi xa với hiệu suất cao

• Điện năng dễ dàng biến đổi thành các các dạng năng lượng khác

• Nhờ điện năng có thể tự động hoá mọi quá trình sản xuất, nâng cao năng suất lao động

Điện năng tuy được phát hiện chậm hơn các năng lượng khác, nhưng với việc phát hiện và sử dụng điện năng đã thúc đẩy cách mạng khoa học công nghệ tiến như vũ bão sang kỹ nguyên điện khí hoá và tự động hoá Vào cuối thế kỷ 19, ngành kỹ thuật điện tử ra đời và giữa thế kỷ 20 chế tạo được linh kiện điện tử công suất có điều khiển, từ dó điện tử công suất phát triễn đã thúc đẩy và làm thay đổi tận gốc rễ lãnh vực kỹ thuật điện Kỹ thuật điện và kỹ thuật điện tử hoà nhập phát triễn, cùng với công nghệ thông tin đã đưa nền sản xuất xã hội sang giai đoạn kinh tế tri thức Máy điện cũng không đứng ngoài sự phát triễn đấy

Giáo trình Máy điện I này gồm ba phần :

Phần I cung cấp các kiến thức về máy biến áp

Phần II cung cấp các kiến thức chung về máy điện xoay chiều

Phần III cung cấp các kiến thức nguyên lý, cấu tạo, đặc tính và ứng dụng của máy điện không đồng bộ

Giáo trình Máy điện I được biên soạn dựa trên kinh nghiệm giảng dạy nhiều năm ở nhóm chuyên môn Điện Công Nghiệp - Khoa Điện - Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học Đà Nẵng và tham khảo giáo trình của các trường bạn Đây là giáo trình đưa lên mạng nhằm giúp cho sinh viên chuyên ngành điện làm tài liệu tham khảo và học tập

Do trình độ có hạn, giáo trình Máy điện I không tránh khỏi thiếu sót, xin hoan nghênh mọi sự góp ý của bạn đọc Các ý kiến đóng góp xin gởi về tác giả ở nhóm chuyên môn Điện Công Nghiệp - Khoa Điện - Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học Đà Nẵng

Đại Học Đà Nẵng - Trường Đại học Bách Khoa Khoa Điện - Nhóm Chuyên môn Điện Công Nghiệp

Giáo trình MÁY ĐIỆN 1

Biên soạn: Bùi Tấn Lợi

Chương 0

0.1 ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI

0.1.1 Định nghĩa

Máy điện là thiết bị điện từ, nguyên lý làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện tư,ì về cấu tạo gồm mạch từ (lõi thép) và mạch điện (dây quấn), dùng để biến đổi các dạng năng lượng như cơ năng thành điện năng (máy phát điện) hoặc ngược lại như điện năng thành cơ năng (động cơ điện), hoặc dùng để biến đổi các thông số điện năng như điện áp, dòng điện, tần số, số pha

0.1.2 Phân loại máy điện

Máy điện có nhiều loại và có nhiều cách phân loại khác nhau Ở đây ta phân loại máy điện dựa vào nguyên lý biến đổi năng lượng như sau :

1 Máy điện tĩnh :

Máy điện tĩnh làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, do sự biến đổi từ thông trong các cuộn dây không có sự chuyển động tương đối với nhau Máy điện tĩnh thường dùng để biến đổi các thông số điện năng như máy biến áp biến điện áp xoay chiều thành điện áp xoay chiều có giá trị khác,

2 Máy điện quay (hoặc có loại chuyển động thẳng):

Máy điện quay làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, lực điện từ do từ trường và dòng điện trong các cuộn dây gây ra Loại máy nầy dùng để biến đổi dạng năng lượng như cơ năng thành điện năng (máy phát điện) hoặc ngược lại như điện năng thành cơ năng (động cơ điện) Quá trình biến đổi năng lượng nầy có tính thuận nghịch nghĩa là máy điện có thể làm việc ở chế độ máy phát điện hoặc động cơ điện

Sơ đồ phân loại máy điện thường gặp:

Máy điện quay

0.2 CÁC ĐỊNH LUẬT ĐIỆN TỪ CƠ BẢN DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN

Trong nghiên cứu máy điện ta thường dùng các định luật sau: định luật cảm ứng điện từ, định luật lực điện từ và định luật mạch từ Các định luật nầy đã được trình bày trong giáo trình vật lý, ở đây nêu lại những điểm chính áp dụng cho nghiên cứu máy điện

0.2.1 Định luật cảm ứng điện từ

1 Trường hợp từ thông xuyên qua vòng dây biến thiên

Khi từ thông Φ = Φ(t) xuyên qua vòng dây biến thiên trong vòng dây sẽ cảm ứng sức điện động (sđđ) e(t) Sđđ đó có chiều sao cho dòng điện do nó sinh ra tạo ra từ thông chống lại sự biến thiên của từ thông sinh ra nó (hình 0.1)

Sđđ cảm ứng trong một vòng dây được tính theo trong đó, [Wb] gọi là từ thông móc vòng của cuộn dây cảm ứng phù hợp với từ thông theo qui tắc vặn nút chai

2 Trường hợp thanh dẫn chuyển động trong từ trường

Khi thanh dẫn chuyển động thẳng góc với đường sức từ trường (đây là trường hợp thường gặp nhất trong máy điện), trong thanh dẫn cảm ứng sđđ có trị số là:

Hình 0.2 Xác định sđđ cảm ứng

theo qui tắc bàn tay phải

trong đó : B: cường độ từ cảm [T]

l : chiều dài tác dụng của thanh dẫn [m]

v: tốc độ dài thanh dẫn [m/s]

Còn chiều sđđ cảm ứng xác định theo qui

tắc bàn tay phải (hình 0.2)

0.2.2 Định luật lực điện từ

Khi thanh dẫn mang dòng điện đặt thẳng góc với đường sức từ trường, thanh dẫn sẽ chịu một lực điện từ tác dụng có trị số là:

Hình 0.3 Xác định lực điện từ

theo qui tắc bàn tay trái i

f = Bil (0.4) Trong đó, B : cường độ từ cảm, [T]

i : dòng điện chạy trong thanh dẫn, [A] l : chiều dài thanh dẫn, [m]

f : lực điện từ đo bằng Niuton, [N]

Chiều của lực điện từ f được xác định theo qui tắc

bàn tay trái (hình 0.3)

0.2.3 Định luật mạch từ Tính toán mạch từ

1 Định luật mạch từ:

Lõi thép của máy điện là mạch từ Mạch từ là mạch khép kín dùng để dẫn từ thông Định luật mạch từ là định luật dòng điện toàn phần áp dụng vào mạch từ Nội dung của định luật dòng điện toàn phần như sau:

Hình 0.4 Minh họa định

luật dòng điện toàn phần

Hình 0.6 Mạch từ có khe hở

không khí và hai cuộn dây

Nếu Hlà vectơ cường độ từ trường do một tập hợp dòng điện i1, i2, ik, , in tạo ra và nếu L là một đường cong kín bao quanh chúng thì:

là độ dời vi phân trên (L) (hình 0.4) Dấu của ik xác định theo qui tắc vặn nút chai: Quay cái vặn nút chai theo chiều drl

, chiều tiến của vặn nút chai trùng với chiều dòng điện ik thì dòng điện ik mang dấu dương, còn ngược lại lấy dấu âm

Định luật dòng điện toàn phần áp dụng vào mạch từ đồng nhất có một cuộn dây như hình 0.5, ta có như sau:

H[At/m]: Cường độ từ trường trong mạch từ

B=μH [T] : Từ cảm (mật độ từ thông) trong mạch từ μ = μr μo [H/m]: Độ từ thẩm tuyệt đối của mạch từ μo = 4π.10-7[H/m] : độ từ thẩm của không khí μr =μ /μo : Độ từ thẩm tương đối của mạch từ L[m] : Chiều dài trung bình của mạch từ N: Số vòng dây của cuộn dây

I[A]: gọi là dòng điện từ hóa, tạo ra từ thông cho mạch từ F = Ni [At/m]: gọi là sức từ động (stđ)

H.l : gọi là từ áp rơi trong mạch từ S[m2] : tiết diện ngang của mạch từ

μ [At/Wb] từ trở của mạch từ

Cũng áp dụng định luật dòng điện toàn phần vào mạch từ gồm hai đoạn có hiều dài l1 và l2 tiết diện S1 và S2, hình 0.6, ta có:

H1.l1 - H2.l2 = N1.i1 - N2.i2 Trong đó:

H1,H2[At/m]: Cường độ từ trường tương ứng trong đoạn mạch từ 1, 2 l1, l2[m] : Chiều dài trung bình của đoạn mạch từ 1, 2ì

i1.N1,i2.N2 [At]: Stđ của cuộn dây 1, 2

Một cách tổng quát, mạch từ gồm m đoạn ghép nối tiếp định luật mạch từ

được viết:

trong đó, dòng điện ik nào có chiều phù hợp với chiều từ thông Φ đã chọn theo qui tắc vặn nút chai sẽ mang dấu dương, còn ngược lại sẽ mang dấu âm; j - chỉ số tên đoạn mạch từ; k - chỉ số tên cuộn dây có dòng điện

2 Tính toán mạch từ:

Việc tính toán mạch từ thường gặp hai loại bài toán sau :

Bài toán thuận : Cho biết từ thông Φ, tìm stđ F = Ni để tạo ra từ thông đó

Cách giải : Tiến hành gồm ba bước sau :(xét mạch từ gồm j đoạn nối tiếp, từ thông Φ bằng nhau ở mọi tiết diện Sj trong các đoạn mạch từ )

Bước 1: Tính từ cảm mỗi đoạn mạch từ : Bj = Φ/Sj ; j là chỉ số tên đoạn mạch từ

Suy ra cường độ từ trường Hj như sau:

Nếu đoạn mạch từ là vật liệu sắt từ, tra đường cong từ hóa B = f(H) để tìm H Nếu đoạn mạch từ là khe hở không khí thì H0 = B0/μo

Bước 2: Suy ra stđ tổng để tạo ra từ thông Φ từ công thức (0.6):

Bước 3: Tùy theo bài toán mà ta tìm được dòng điện i hoặc số vòng dây W Bài toán ngược : Biết stđ F, tìm từ thông Φ

Loại bài toán nầy phức tạp Do vật liệu từ có độ từ thẩm μ phụ thuộc từ thông Φ nên từ trở Rμ cũng phụ thuộc Φ Vì chưa biết Φ nên cũng chưa biết R Phương

Đây là phương trình phi tuyến, thường dùng phương pháp gần đúng để giải

0.3 CÁC VẬT LIỆU CHẾ TẠO MÁY ĐIỆN

Vật liệu chế tạo máy điện gồm vậy liệu cấu trúc, vật liệu tác dụng và vật liệu cách điện Vật liệu cấu trúc là vật liệu để chế tạo các chi tiết chịu các tác động cơ học như trục, ổ trục, thân máy, nắp Vật liệu tác dụng là vật liệu dùng để chế tạo những bộ phận dẫn điện và từ Còn vật liệu cách điện dùng để cách điện giữa phần dẫn điện với không dẫn điện và giữa các phần dẫn điện với nhau

0.3.1 Vật liệu dẫn điện

Vật liệu dẫn điện để chế tạo máy điện tốt nhất là đồng vì chúng không đắt lắm và có điện trở suất nhỏ Ngoài ra còn dùng nhôm và các hợp kim khác như đồng

thau, đồng phốtpho Dây đồng hoặc dây nhôm được chế tạo theo tiết điện tròn hoặc tiết điện chữ nhật có bọc cách điện Với những máy có công suất nhỏ và trung bình, điện áp dưới 1000V thường dùng dây dẫn bọc êmay vì lớp cách điện của nó mỏng và đạt độ bền yêu cầu

0.3.2 Vật liệu dẫn từ

Vật liệu dẫn từ trong máy điện là vật liệu sắt từ như thép kỹ thuật điện, gang, thép đúc, thép rèn

Ở các phần dẫn từ có từ thông biến đổi với tần số 50Hz thường dùng thép lá kỹ thuật điện dày 0,35 ÷ 1mm, trong thành phần thép có từ 2 ÷ 5% silíc để tăng điện trở của thép, giảm dòng điện xoáy Thép kỹ thuật điện được chế tạo bằng phương pháp cán nóng hoặc cán nguội Hiện nay thường dùng thép cán nguội để chế tạo các máy điện vì thép cán

nguội có độ từ thẩm cao hơn và suất tổn hao nhỏ hơn thép cán nóng Trên hình 0.7 trình bày đường cong từ hoá của một số vật liệu dẫn từ khác nhau Cùng một dòng điện kích từ, ta thấy thép kỹ thuật điện có từ cảm lớn nhất, sau đó là thép đúc và cuối cùng là gang thép đúc, thép rèn, hoặc thép lá

0.3.3 Vật liệu cách điện

Vật liệu cách điện trong máy điện phải có cường độ cách điện cao, chịu nhiệt tốt, tản nhiệt tốt, chống ẩm và bền về cơ học Cách điện bọc dây dẫn chịu được nhiệt độ cao thì nhiệt độ cho phép của dây dẫn càng lớn và dây dẫn chịu được dòng tải lớn

Chất cách điện của máy điện phần lớn ở thể rắn và gồm có 4 nhóm: a) Chất hữu cơ thiên nhiên như giấy, lụa

b) Chất vô cơ như amiăng, mica, sợi thủy tinh c) Các chất tổng hợp

d) Các loại men và sơn cách điện

Chất cách điện tốt nhất là mica nhưng đắt Giấy, vải, sợi rẻ nhưng dẫn nhiệt và cách điện kém, dễ bị ẩm Vì vậy chúng phải được tẩm sấy để cách điện tốt hơn

Căn cứ độ bền nhiệt, vật liệu cách điện được chia ra các cấp như sau:

- Cấp Y : Nhiệt độ cho phép là 900C, bao gồm bông, giấy, vải, tơ lụa, sợi tổng hợp, không được tẩm sấy bằng sơn cách điện

- Cấp A : Nhiệt độ cho phép là 1050C, bao gồm vải sợi xenlulô, sợi tự nhiên hoặc nhân tạo được qua tẩm sấy bằng sơn cách điện

- Cấp E : Nhiệt độ cho phép là 1200C, bao gồm màng vải, sợi tổng hợp gốc hữu cơ có thể chịu được nhiệt độ tương ứng

- Cấp B : Nhiệt độ cho phép là 1300C, bao gồm các vật liệu gốc mica, sợi thủy tinh hoặc amiăng được liện kết bằng sơn hoặc nhựa gốc hữu cơ có thể chịu được nhiệt độ tương ứng

- Cấp F : Nhiệt độ cho phép là 1550C, giống như loại B nhưng được tẩm sấy và kết dính bằng sơn hoặc nhựa tổng hợp có thể chịu được nhiệt độ tương ứng

- Cấp H : Nhiệt độ cho phép là 1800C, giống như cấp B nhưng dùng sơn tẩm sấy hoặc chất kết dính gốc silic hữu cơ hoặc các chất tổng hợp có khả năng chịu được nhiệt độ tương ứng

- Cấp C : Nhiệt độ cho phép là >1800C, bao gồm các vật liệu gốc mica, thủy tinh và các hợp chất của chúng dùng trực tiếp không có chất liên kết Các chất vô cơ có phụ gia liên kết bằng hữu cơ và các chất tổng hợp có khả năng chịu được nhiệt độ tương ứng

Ngoài ra còn có chất cách điện ở thể khí (không khí) và thể lỏng (dầu biến áp) Khi máy điện làm việc, do tác động của nhiệt độ, chấn động và các tác động lý hóa khác cách điện sẽ bị lão hóa nghĩa là mất dần các tính bền về điện và cơ Thực nghiệm cho biết, khi nhiệt độ tăng quá nhiệt độ làm việc cho phép 8-100C thì tuổi tho của vật liệu cách điện giảm đi một nửa

0.4 PHÁT NÓNG VÀ LÀM MÁT MÁY ĐIỆN

Trong quá trình biến đổi năng lượng luôn có sự tổn hao Tổn hao trong máy điện gồm tổn hao sắt từ (do hiện tượng từ trễ và dòng xoáy) trong thép, tổn hao đồng trong dây quấn và tổn hao do ma sát (ở máy điện quay) Tất cả các tổn hao năng lượng đều biến thành nhiệt làm cho máy điện nóng lên

Để làm mát máy điện, phải có biện pháp tản nhiệt ra môi trường xung quanh Sự tản nhiệt không những phụ thuộc vào bề mặt làm mát của máy mà còn phụ thuộc vào sự đối lưu không khí xung quanh hoặc của môi trường làm mát khác như dầu máy biến áp Thường vỏ máy điện được chế tạo có các cánh tản nhiệt và máy điện có hệ thống quạt gió để làm mát

Kích thước của máy, phương pháp làm mát phải được tính toán và lựa chọn để cho độ tăng nhiệt của vật liệu cách điện trong máy không vượt quá độ tăng nhiệt

cho phép, đảm bảo cho vật liệu cách điện làm việc lâu dài, tuổi thọ của máy khoảng 20 năm

Khi máy điện làm việc ở chế độ định mức, độ tăng thiệt của các phần tử không vượt quá độ tăng nhiệt cho phép Khi máy quá tải độ tăng nhiệt của máy sẽ vượt quá nhiệt độ cho phép, vì thế không cho phép máy làm việc quá tải lâu dài

0.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MÁY ĐIỆN

Việc nghiên cứu máy điện gồm các bước sau:

1 Mô tả các hiện tượng vật lý xảy ra trong máy điện

2 Dựa vào các định luật vật lý, viết phương trình toán học mô tả sự làm việc của máy điện Đó là mô hình toán của máy điện

3 Từ mô hình toán thiết lập mô hình mạch, đó là sơ đồ thay thế của máy điện

4 Từ mô hình toán và mô hình mạch, tính toán các đặc tính và nghiên cứu máy điện, khai thác sử dụng theo các yêu cầu cụ thể

] R R ^

Đại Học Đà Nẵng - Trường Đại học Bách Khoa Khoa Điện - Nhóm Chuyên môn Điện Công Nghiệp

Giáo trình MÁY ĐIỆN 1

Biên soạn: Bùi Tấn Lợi

Chương 1

NGUYÊN LÝ VÀ CẤU TẠO M.B.A

1.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ M.B.A

1.1.1 Vai trò và công dụng

Để dẫn điện từ nhà máy phát điện đến hộ tiêu thụ cần phải có đường dây tải điện (hình 1.1) Nếu khoảng cách từ nơi sản xuất điện đến hộ tiêu thụ lớn, một vấn đề đặt ra là việc truyền tải điện năng đi xa làm sao cho kinh tế nhất

Trong đó: P là công suất truyền tải trên đường dây; U là điện áp truyền tải của lưới điện; Rd là điện trở đường dây tải điện và cosϕ là hệ số công suất của lưới điện, còn ϕ là góc lệch pha giữa dòng điện I và điện áp U

Từ các công thức trên cho ta thấy, cùng một công suất truyền tải trên đường dây, nếu điện áp truyền tải càng cao thì dòng điện chạy trên đường dây sẽ càng bé, do đó trọng lượng và chi phí dây dẫn sẽ giảm xuống, tiết kiệm được kim loại màu, đồng thời tổn hao năng lượng trên đường dây sẽ giảm xuống Vì thế, muốn truyền

tải công suất lớn đi xa ít tổn hao và tiết kiệm kim loại màu người ta phải dùng điện áp cao, thường là 35, 110, 220, 500kV Trên thực tế các máy phát điện chỉ phát ra điện áp từ 3 ÷ 21kV, do đó phải có thiết bị tăng điện áp ở đầu đường dây Mặt khác các hộ tiêu thụ thường yêu cầu điện áp thấp, từ 0.4 ÷ 6kV, vì vậy cuối đường dây phải có thiết bị giảm điện áp xuống Thiết bị dùng để tăng điện áp ở đầu đường dây và giảm điện áp cuối đường dây gọi là máy biến áp (MBA)

1.1.2 Định nghĩa

Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp nầy thành một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp khác, với tần số không thay đổi

1.2 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP LÝ TƯỞNG

Máy biến áp lý tưởng có các tính chất như sau : 1 Cuộn dây không có điện trở

2 Từ thông chạy trong lõi thép móc vòng với hai dây quấn, không có từ thông tản và không có tổn hao trong lõi thép

3 Độ từ thẩm của thép rất lớn (μ = ∞), như vậy dòng từ hoá cần phải có để sinh ra từ thông trong lõi thép là rất nhỏ không đáng kể, do vậy stđ cần để sinh ra từ thông trong lõi thép cho bằng không

Hình 1.2 vẽ sơ đồ nguyên lý của MBA một pha hai dây quấn Dây quấn 1 có N1 vòng dây được nối với nguồn điện áp xoay chiều u1, gọi là dây quấn sơ cấp Ký

hiệu các đại lượng phía dây quấn sơ cấp đều có con số 1 kèm theo như u1, i1, e1, Dây quấn 2 có N2 vòng dây cung cấp điện cho phụ tải Zt, gọi là dây quấn thứ cấp

Ký hiệu các đại lượng phía dây quấn thứ cấp đều có con số 2 kèm theo như u2, i2 , e2,

Đặt điện áp xoay chiều u1 vào dây quấn sơ, trong dây quấn sơ sẽ có dòng i1 Trong lõi thép sẽ có từ thông Φ móc vòng với cả hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp, cảm ứng ra các sđđ e1 và e2 Khi MBA có tải, trong dây quấn thứ sẽ có dòng điện i2 đưa ra tải với điện áp là u2 Từ thông Φ móc vòng với cả hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp gọi là từ thông chính

Giả thử điện áp u1 sin nên từ thông Φ cũng biến thiên sin, ta có:

Theo định luật cảm ứng điện từ, các sđđ cảm ứng e1, e2 sinh ra trong dây quấn sơ cấp và thứ cấp MBA là:

Hình 1-2 Sơ đồ nguyên lý của

MBA một pha hai dây quấn

Nếu giả thiết MBA đã cho là MBA lý tưởng, nghĩa là bỏ qua sụt áp gây ra do điện trở và từ thông tản của dây

Nếu N2 > N1 thì U2 > U1 và I2 < I1 : MBA tăng áp Nếu N2 < N1 thì U2 < U1 và I2 > I1 : MBA giảm áp

1.3 CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP

Máy biến áp có các bộ phận chính sau dây : lõi thép, dây quấn và vỏ máy

1.3.1 Lõi thép MBA

Hình 1.3 Mạch từ MBA kiểu lõi: a) một pha b) ba pha

Lõi thép MBA dùng để dẫn từ thông, được chế tạo bằng các vật liệu dẫn từ tốt, thường là thép kỹ thuật điện có bề dày từ 0,35 ÷ 1 mm, mặt ngoài các lá thép có sơn cách điện rồi ghép lại với nhau thành lõi thép Lõi thép gồm hai phần: Trụ và Gông (hình 1.3) Trụ T là phần để đặt dây quấn còn gông G là phần nối liền giữa các trụ để tạo thành mạch từ kín

1.3.2 Dây quấn MBA

Nhiệm vụ của dây quấn MBA là nhận năng lượng vào và truyền năng lượng ra Dây quấn MBA thường làm bằng dây dẫn đồng hoặc nhôm, tiết diện tròn hay chữ nhật, bên ngoài dây dẫn có bọc cách điện Dây quấn gồm nhiều vòng dây và lồng vào trụ thép Giữa các vòng dây, giữa các dây quấn và giữa dây quấn và lõi thép đều có cách điện Máy biến áp thường có hai hoặc nhiều dây quấn Khi các dây quấn đặt trên cùng một trụ thì dây quấn điện áp thấp đặt sát trụ thép còn dây quấn điện áp cao đặt bên ngoài Làm như vậy sẽ giảm được vật liệu cách điện

Dây quấn MBA có hai loại chính như :

Hình 1-4 Dây quấn Máy biến áp

(a)û (b)û

1 Dây quấn đồng tâm : ở dây quấn đồng tâm tiết diện ngang là những vòng

tròn đồng tâm Những kiểu dây quấn đồng tâm chính gồm : Dây quấn hình trụ (hình 1.4a,b), dùng cho cả dây quấn hạ áp và cao áp; Dây quấn hình xoắnû (hình 1.4c), dùng cho dây quấn hạ áp có nhiều sợi chập; dây quấn hình xoáy ốc liên tụcû (hình 1.4d), dùng cho dây quấn cao áp, tiết diện dây dẫn chữ nhật

2 Dây quấn xem kẻ : Các bámh dây cao áp và hạ áp lần lượt xen kẻ nhau dọc

theo trụ thép

Hình 1-5 Máy biến áp dầu ba pha 16000kVA/110kV

1 móc vận chuyển; 2 Sứ cao áp 110kV; 4 Sứ trung áp 38.5kV; 5 Sứ hạ áp 10.5kV; 7 Ôúng phòng nổ; 8 Bình giãn dầu; 10 Thước chỉ dầu; 12 Xà ép gông; 13 Bình hút ẩm; 16 Dây quấn cao áp; 18 Bộ lọc đối lưu; 22 Võ thùng; 23.Bộ tản nhiệt; 24 Cáp cấp điện cho động cơ; 25 Động cơ qụat gió làm mát 26 Bộ truyền động chuyển mạch

1.3.3 Vỏ MBA

Vỏ MBA làm bằng thép gồm hai bộ phận : thùng và nắp thùng

1 Thùng MBA: Trong thùng MBA (hình 1-5) đặt lõi thép, dây quấn và dầu

biến áp Dầu biến áp làm nhiệm vụ tăng cường cách điện và tản nhiệt Lúc MBA làm việc, một phần năng lượng tiêu hao thoát ra dưới dạng nhiệt làm dây quấn, lõi thép và các bộ phận khác nóng lên Nhờ sự đối lưu trong dầu và truyền nhiệt từ các bộ phận bên trong MBA sang dầu và từ dầu qua vách thùng ra môi trường xung quanh

2 Nắp thùng MBA : Dùng để đậy trên thùng và trên đó có các bộ phận quan

trọng như:

+ Sứ ra của dây quấn cao áp và dây quấn hạ áp Làm nhiệm vụ cách điện + Bình dãn dầu (bình dầu phụ) có ống thủy tinh để xem mức dầu

+ Ống bảo hiểm : làm bằng thép, thường làm thành hình trụ nghiêng, một đầu nối với thùng, một đầu bịt bằng một đĩa thuỷ tinh Nếu vì lý do nào đó, áp suất trong thùng tăng lên đột ngột, đĩa thuỷ tinh sẽ vỡ, dầu theo đó thoát ra ngoài để MBA không bị hỏng

+ Lỗ nhỏ đặt nhiệt kế

+ Rơle hơi dùng để bảo vệ MBA

+ Bộ truyền động cầu dao đổi nối các đầu điều chỉnh điện áp của dây quấn cao áp

Để hiểu rõ hơn về MBA ta xem hiình dáng bên ngoài MBA ba pha hai dây quấn công suất 250kVA, điện áp 22/0.4kV của nhà máy chế tạo Thiết Bị Điện (hình 1.6)

Hình 1.6MBA dầu ba pha, hai dây quấn

1.4 CÁC ĐẠI LƯƠüNG ĐỊNH MỨC CỦA MBA

Các đại lượng định mức của MBA qui định điều kiện kỹ thuật của máy Các đại lượng nầy do nhà máy chế tạo qui định và ghi trên nhãn của MBA

1 Dung lượng (công suất định mức) Sđm (VA hay kVA) là công suất toàn phần hay biểu kiến đưa ra ở dây quấn thứ cấp của MBA

2 Điện áp dây sơ cấp định mức U1đm (V, kV) là điện áp của dây quấn sơ cấp

3 Điện áp dây thứ cấp định mức U2đm (V hay kV) là điện áp của dây quấn thứ cấp khi MBA không tải và điện áp đặt vào dây quấn sơ là định mức U1 = U1dm 4 Dòng điện dây sơ cấp định mức I1đm (A hay kA) và thứ cấp định mức I2đm là những dòng điện dây của dây quấn sơ cấp và thứ cấp ứng với công suất và điện áp

5 Tần số định mức fđm(Hz) Các MBA điện lực có tần số công nghiệp 50Hz Ngoài ra trên nhãn MBA còn ghi các số liệu khác như: tần số, số pha m, sơ đồ và tổ nối dây

1.5 CÁC LOẠI MBA CHÍNH

1 MBA điện lực để truyền tải và phân phối công suất trong hệ thống điện lực 2 MBA chuyên dùng sử dụng ở lò luyện kim, các thiết bị chỉnh lưu, MBA hàn 3 MBA tự ngẫu dùng để liên lạc trong hệ thống điện, mở máy động cơ không đồng bộ công suất lớn

4 MBA đo lường dùng để giảm các điện áp và dòng điện lớn đưa vào các dụng cụ đo tiêu chuẩn

5 MBA thí nghiệm dùng để thí nghiệm điện áp cao

MBA có rất nhiều loại song thực chất hiện tượng xãy ra trong chúng đều giống nhau Để thuận tiện cho việc nghiên cứu, sau đây ta xét MBA điện lực một pha hai dây quấn

] R R ^

Đại Học Đà Nẵng - Trường Đại học Bách Khoa Khoa Điện - Nhóm Chuyên môn Điện Công Nghiệp

Giáo trình MÁY ĐIỆN 1

Biên soạn: Bùi Tấn Lợi

Chương 2

TỔ NÔÏI DÂY VÀ MẠCH TỪ M.B.A

2.1 KHÁI NIỆM CHUNG

Để MBA ba pha có thể làm việc được, các dây quấn sơ cấp và thứ cấp phải nối với nhau theo một qui luật nhất định Ngoài ra, việc phối hợp kiểu nối dây quấn sơ cấp với kiểu nối dây quấn thứ cấp cũng hình thành các tổ nối dây quấn khác nhau Hơn nữa, khi thiết kế MBA, việc quyết định tổ nối dây quấn cũng phải thích ứng với kiếu kết cấu của mạch từ để tránh những hiện tượng không tốt như sđđ không sin, tổn hao phụ tăng

Trong chương này ta sẽ lần lượt xét các loại tổ nối dây và mạch từ, đồng thời xét các hiện tượng xảy ra khi từ hoá lõi thép và nêu lên cách tính toán mạch từ của MBA

2.2 TỔ NỐI DÂY MÁY BIẾN ÁP

Để nghiên cứu tổ nối dây MBA, trước hết ta hãy xét ký hiệu các đầu dây và cách đấu dây quấn pha với nhau

2.2.1 Cách ký hiệu các đầu dây

Một cuộn dây có hai đầu tận cùng: một đầu gọi là đầu đầu; còn đầu kia gọi là đầu cuối Đối với dây quấn mba một pha : đầu đầu hoặc đầu cuối chọn tùy ý

Đối với dây quấn mba ba pha : các đầu đầu và đầu cuối chọn một cách thống nhất theo một chiều nhất định (hình 2.1a), nếu không điện áp ra của ba pha sẽ không đối xứng (hình 2.1b)

Để đơn giản và thuận tiện cho việc nghiên cứu, người ta thường đánh dấu các đầu tận cùng lên sơ đồ dây quấn của mba với qui ước sau dây :

Đánh dấu các đầu dây tận cùng:

2.2.2 Các kiểu đấu dây quấn

1 Đấu hình sao (Y) : Đấu ba điểm cuối X,Y,Z lại với nhau

2 Đấu hình tam giác (Δ) :

Đấu điểm đầu của pha này với điểm cuối của pha kia (hình 2.3)

3 Đấu zíc-zắc (Z) : Mỗi pha dây quấn mba gồm hai nửa cuộn dây trên hai trụ

khác nhau mắc nối tiếp và đấu ngược chiều nhau (hình 2.4) Kiểu dây quấn này ít dùng vì tốn đồng nhiều hơn, loại này chủ yếu gặp trong mba dùng cho thiết chỉnh

2.2.3 Tổ nối dây của mba

Tổ nối dây mba được hình thành do sự phối hợp kiểu dây quấn sơ cấp so với

kiểu dây quấn thứ cấp Nó biểu thị góc lệch pha giữa sđđ dây của dây quấn sơ cấp và sđđ dây của dây quấn thứ cấp và góc lệch pha này phụ thuộc vào các yếu

tố sau :

+ Chiều quấn dây,

+ Cách ký hiệu các dầu dây ra,

+ Kiểu dấu dây quấn sơ cấp và thứ cấp

Xét mba một pha có hai dây quấn (hình 2-5) : sơ cấp : AX ; thứ cấp : ax Các trường hợp xảy ra như sau :

a) Hai dây quấn cùng chiều và kí hiệu tương ứng (hình 2-5a) b) Hai dây quấn ngược chiều (hình 2-5b)

c) Đổi chiều kí hiệu một trong hai dây quấn (hình 2-5c)

Tổ nối dây của mba một pha : kể từ vector sđđ sơ cấp đến vector sđđ thứ cấp theo chiều kim đồng hồ :

Tổ nối dây của mba ba pha : Ở mba ba pha, do nối Y & Δ với những thứ tự khác nhau mà góc lệch pha giữa sđđ dây sơ cấp và sđđ dây thứ cấp là 30o, 60o, 90o, , 360o

Thực tế không dùng độ để chỉ góc lệch pha mà dùng kim đồng hồ (hình 2.6) để biểu thị và gọi tên tổ nối dây mba, cách biểu thị như sau:

+ Kim dài cố định ở con số 12, chỉ sđđ sơ cấp

+ Mba ba pha nối Y/Y:

Ví dụ một mba ba pha có dây quấn sơ và dây quấn thứ nối hình sao, cùng chiều quấn dây và cùng ký hiệu các đầu dây (hình 2.7) thì vector sđđ pha giữa hai dây quấn hoàn toàn trùng nhau và góc lệch pha giữa hai điện áp dây sẽ bằng 360o hay 0o Ta nói mba thuộc tổ nối dây 12 và ký hiệu là Y/Y-12 hay Y/Y-0 Để nguyên dây quấn sơ, dịch ký hiệu dây quấn thứ a→b, b→c, c→a ta có tổ đấu dây Y/Y-4, dịch tiếp một lần nữa ta có tổ đấu dây Y/Y-8 Nếu đổi chiều dây quấn thứ ta có tổ đấu dây Y/Y-6,10,2 Như vậy mba khi nối Y/Y, ta có tổ nối dây là số chẵn

+ Mba ba pha nối Y/Δ :

Ví dụ cũng mba ba pha có dây quấn sơ nối hình sao và dây quấn thứ nối hình tam giác, cùng chiều quấn dây và cùng ký hiệu các đầu dây (hình 2 8) thì vector sđđ pha giữa hai dây quấn hoàn toàn trùng nhau và góc lệch pha giữa hai điện áp dây sẽ bằng 330o Ta nói mba thuộc tổ nối dây 11 và ký hiệu là Y/Δ-11 Để nguyên dây quấn sơ, dịch kí hiệu dây quấn thứ a→ b, b→ c, c→ a thì ta có tổ đấu dây Y/Δ-3, dịch tiếp một lần nữa ta có tổ đấu dây Y/Δ-7 Nếu đổi chiều dây quấn thứ ta có tổ đấu dây Y/Δ-5,9,1 Như vậy mba khi nối Y/Δ, ta có tổ nối dây là số lẽ

A B C

2.3 MẠCH TỪ MÁY BIẾN ÁP

2.3.1 Các dạng mạch từ máy biến áp

1 Máy biến áp một pha

+ Mạch từ kiểu lõi (hình 1.3a) + Mạch từ kiểu bọc

2 Máy biến áp ba pha

+ Hệ thống mạch từ riêng : Từ thông ba pha độc lập (hình 2.9) Ta có tổ mba ba pha

+ Hệ thống mạch từ chung (hình 1.3b) : Từ thông ba pha liên quan nhau Ta có mba ba pha ba trụ

Nếu :

U& A +U& B+U&C =0→Φ& A +Φ& B +Φ&C =0

Như vậy các trụ ghép chung có từ thông tổng ∑Φ 0& = , nên ta bỏ trụ ghép

chung Sau khi bỏ trụ ghép chung, ta thấy lõi thép không gian nên chế tạo khó khăn Vì vậy phải rút ngắn trụ giữa để ba trụ mba cùng nằm trong mặt phẳng, lúc

Hình 2.10 Ghép ba trụ mba một pha

này ta thấy kết cấu lõi thép mba không đối xứng, trụ giữa ngắn hơn hai trụ hai bên nên dòng từ hóa của ba pha cũng không đối xứng :

IoA = IoC ≈ (1,2 ÷ 1,45)IoB

2.3.2 Những hiện tượng xuất hiện khi từ hóa lõi thép MBA

Xét trường hợp :

+ MBA không tải (hình 2.11) + Sơ cấp đặt vào điện áp u hình sin

Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý

của mba một pha

• Không xét tổn hao trong lõi thép :

Khi không xét đến tổn hao trong lõi thép thì dòng io ≈ iox, nghĩa là dòng từ hóa gần bằng dòng điện phản kháng Ta có quan hệ Φ = f(io) cũng chính là quan hệ B = f(H) Từ quan hệ Φ = f(io) và Φ = f(t) ta vẽ được io = f(t)

Từ hình 2.12, ta thấy :

+ Từ thông Φ(t) có dạng hình sin

+ Dòng điện io(t) có dạng nhọn dầu (k0sin) + Φ(t) và io(t) trùng pha nhau

Dòng io(t) không sin, ta phân tích thành tổng sóng hình sin :

+ io1 là sóng cơ bản (sóng bậc 1)

+ io3,5,7 là các sóng bậc cao Sóng bậc 5 trở lên có biên độ nhỏ, ta bỏ qua Như vậy chính dòng điện bậc ba io3 làm dòng io có dạng nhọn đầu Thực chất dòng io có dạng nhọn đầu là do hiện tượng bão hòa trong lõi thép

• Có kể đến tổn hao trong lõi thép :

Khi có xét đến tổn hao trong lõi thép, quan hệ Φ = f(io) cũng chính là quan hệ đường cong từ trễ B = f(H) Từ quan hệ Φ = f(io) và Φ = f(t) ta dùng phương pháp vẽ để tìm được quan hệ io = f(t) như trên hình 2.13

Từ hình 2.13, ta thấy :

+ Từ thông Φ(t) có dạng hình sin

+ Dòng điện io(t) có dạng nhọn dầu (k0sin) + io(t) vượt trước Φ(t) một góc α

Góc α nhỏ hay lớn phụ thuộc vào mức độ trễ của B = f(H), nghĩa là phụ thuộc vào đường cong từ trễ vì thế góc α gọi là góc tổn hao từ trễ

Hình 2.14 biểu diễn vectơ dòng điện và từ thông khi có kể đến tổn hao trong lõi thép Vì dòng điện i

I& Φ&m

o không sin nên ta chỉ vẽ gần đúng với thành phần bậc 1 Ta thấy dòng điện không tải Io gồm hai thành phần :

+ Iox : thành phần dòng điện phản kháng để từ hóa lõi thép + Ior : thành phần dòng điện tác dụng, vuông góc với Φ, nên :

Thực tế Ior < 10%Io , nghĩa là góc α thường rất bé, nên dòng điện Ior không ảnh hưởng mấy đến dòng điện từ hoá và ta coi như Iox ≈ Io

Hình 2.14 Đồ thị vectơ dòng Io

Từ các phương trình trên ta thấy, ba pha trùng nhau về thời gian, nghĩa là ở mọi thời điểm chiều dòng điện bậc ba trong các pha hoặc hướng từ đầu đến cuối hoặc hướng từ cuối đến đầu, tức là luôn luôn tồn tại

α) Trường hợp mba nối Y/Y

Sơ cấp đấu Y nên dòng io3 không tồn tại, dòng io sẽ có dạng sin và từ thông Φ do nó sinh ra sẽ có dạng vạt đầu Ta phân tích từ thông Φ trong lõi thép thành sóng cơ bản và sóng bậc cao :

Φ=Φ1+Φ3 +Φ5 +Φ7 +

Các sóng Φ5,7 nhỏ, ta bỏ qua, chỉ xét Φ1 và Φ3

Trường hợp tổ mba ba pha :

(Mba ba pha5 trụ)

Φ1 Loại này mạch từ riêng, nên Φ3 tồn tại và khép mạch qua lõi thép, do vậy Φ3 tương đối lớn, sđđ e3 do nó sinh ra cũng lớn theo (E3f = (45-60)% E1f) làm cho sđđ pha tăng lên Còn sđđ Ud không có thành

Mba ba pha ba trụ :

Hình 2.16 Từ thông bậc ba trong lõi thép mba nối Y/Y

Hệ thống mạch từ chung, nên Φ3 cùng chiều (hình 2.16) Ở mọi thời điểm từ thông Φ3 không khép mạch qua mạch từ trụ mà bị đẩy ra ngoài, và khép mạch qua môi trường có từ trở lớn, nên Φ3 không lớn lắm, như vậy xem từ thông trong mạch từ là sin, và sđđ cảm ứng ra Ef sẽ sin

Chú ý : Φ3 khép mạch qua gông và vách thùng làm tăng tổn hao nên hiệu suất của máy giảm

β) Trường hợp mba nối Δ /Y

Dây quấn sơ cấp nối Δ nên dòng io3 sẽ khép kín trong tam giác, vì vậy dòng io sẽ có dạng nhọn đầu Giống mba một pha

γ) Trường hợp mba nối Y/Δ

Dây quấn sơ cấp đấu Y nên dòng io3 không tồn tại, dòng io sẽ có dạng sin và từ thông Φ do nó sinh ra sẽ có dạng vạt đầu Kết luận giống trường hợp α Thành phần từ thông bậc ba Φ cảm ứng trong dây quấn thứ cấp sđđ e3 23, do dây quấn thứ

nối Δ nên sinh ra dòng i23 chạy trong dây quấn, dòng điện nầy sinh ra trong lõi thép từ thông Φ23 và ta có từ thông tổng bậc ba , nên ảnh hưởng

Đại Học Đà Nẵng - Trường Đại học Bách Khoa Khoa Điện - Nhóm Chuyên môn Điện Công Nghiệp

Giáo trình MÁY ĐIỆN 1

Biên soạn: Bùi Tấn Lợi

Chương 3

QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MBA

Trong chương này chúng ta sẽ nghiên cứu sự làm việc của mba lúc tải đối xứng và mọi vấn đề có liên quan đều được xét trên một pha của mba ba pha hay trên mba một pha

3.1 CÁC PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG CỦA MÁY BIẾN ÁP

Để thấy rõ quá trình năng lượng trong mba, ta hãy xét các quan hệ điện từ trong trường hợp này

3.1.1 Phương trình cân bằng điện áp (sđđ)

Trên hình 3.1 trình bày mba một pha hai dây quấn, trong đó dây quấn sơ cấp nối với nguồn, có số vòng N1, dây quấn thứ cấp nối với tải có tổng trở Zt, có số vòng N2 Khi nối điện áp u1 vào dây quấn sơ cấp, trong dây quấn sơ cấp có dòng điện i1 chạy qua Nếu phía thứ cấp có tải thì trong dây quấn thứ cấp sẽ có dòng điện i2 chạy qua Các dòng điện i1 và i2 sẽ tạo nên stđ sơ cấp i1N1 và stđ thứ cấp i2N2 Phần lớn từ thông do hai stđ i1N1 và i2N2 sinh ra được khép mạch qua lõi thép móc vòng với cả dây quấn sơ cấp và thứ cấp được gọi là từ thông chính Φ Từ thông chính Φ gây nên trong các dây quấn sơ cấp và thứ cấp những sđđ e1 và e2 như đã biết ở chương 2 như sau :

Hình 3.1 Từ thông mba một pha hai dây quấn

Ngoài từ thông chính Φ chạy trong lõi thép, trong mba các stđ i1N1 và i2N2 còn sinh ra từ thông tản Φt1 và Φt2 Từ thông tản không chạy trong lõi thép mà móc vòng với không gian không phải vật liệu sắt từ như dầu biến áp, vật liệu cách điện Vật liệu nầy có độ từ thẩm bé, do đó từ thông tản nhỏ hơn rất nhiều so với từ thông chính và từ thông tản móc vòng với dây quấn sinh ra nó Từ thông tản Φt1 do dòng điện sơ cấp i1 gây ra và từ thông tản Φt2 do dòng điện thứ cấp i2 gây ra Các từ thông tản Φt1 và Φt2 biến thiên theo thời gian nên cũng cảm ứng trong dây quấn sơ cấp sđđ tản et1 và thứ cấp sđđ tản et2, mà trị số tức thời là:

Trong đó: là từ thông tản móc vòng với dây quấn sơ cấp; là từ thông tản móc vòng với dây quấn thứ cấp

Do từ thông tản móc vòng với không gian không phải vật liệu sắt từ nên tỉ lệ với dòng điện sinh ra nó :

Trong đó: Lt1 và Lt2 là điện cảm tản của dây quấn sơ cấp và thứ cấp Thế (3.3) vào (3.2a,b), ta có:

trong đó: x1 = ωLt1 là điện kháng tản của dây quấn sơ cấp, x2 = ωLt2 là điện kháng tản của dây quấn thứ cấp

1 Phương trình cân bằng điện áp dây quấn sơ cấp :

Xét mạch điện sơ cấp gồm nguồn điện áp u1, sức điện động e1, sđđ tản của dây quấn sơ cấp et1, điện trở dây quấn sơ cấp r1 Áp dụng định luật Kirchhoff 2 ta có phương trình điện áp sơ cấp viết dưới dạng trị số tức thời là:

Thay (3.5a) vào (3.6b), ta có :

U& =−& + + & =−& + & (3.7) trong đó: Z1 = r1 + jx1 là tổng trở phức của dây quấn sơ cấp

Còn Z &1I1 là điện áp rơi trên dây quấn sơ cấp

2 Phương trình cân bằng điện áp dây quấn thứ cấp

Mạch điện thứ cấp gồm sức điện động e2, sức điện động tản dây quấn thứ cấp et2, điện trở dây quấn thứ cấp r2, điện áp ở hai đầu của dây quấn thứ cấp là u2 Áp dụng định luật Kirchhoff 2 ta có phương trình điện áp thứ cấp viết dưới dạng trị số

Thay (3.5b) vào (3.8b), ta có :

U& = & − + & = & − & (3.10) trong đó Z2 = r2 + jx2 là tổng trở phức của dây quấn thứ cấp

Còn Z &2I2 là điện áp rơi trên dây quấn thứ cấp

Mặt khác ta có: U& =2 ZtI&2 (3.11)

3.1.2 Phương trình cân bằng dòng điện

Định luật Ohm từ (0.6), áp dụng vào mạch từ (hình 3.1) cho ta:

Trong biểu thức (3.7), thường Z1I& <<1 E&1 nên E1 ≈ U1 Vậy theo công thức (2.6) từ thông cực đại trong lõi thép:

Ở đây U1 = U1đm, tức là U1 không đổi, theo (3.13) từ thông Φm cũng không đổi Do đó vế phải của (3.12) không phụ thuộc dòng i1 và i2, nghĩa là không phụ thuộc

chế độ làm việc của mba Đặc biệt trong chế độ không tải dòng i2 = 0 và i1 = i0 là dòng điện không tải sơ cấp Ta suy ra:

Hay: N1I&1+N2I&2 =N1&I0 (3.15) Chia hai vế cho N1 và chuyển vế, ta có:

Từ (3.16) ta thấy rằng: dòng điện sơ cấp gồm hai thành phần, thành phần dòng điện không đổi dùng để tạo ra từ thông chính Φ trong lõi thép mba, thành phần dòng điện dùng để bù lại dòng điện thứ cấp , tức là cung cấp cho tải Khi tải tăng thì dòng điện tăng, nên tăng và dòng điện cũng tăng lên

Tóm lại, mô hình toán của mba như sau:

3.2 MẠCH ĐIỆN THAY THẾ CỦA MÁY BIẾN ÁP

Để đặc trưng và tính toán các quá trình năng lượng xảy ra trong mba, người ta thay mạch điện và mạch từ của mba bằng một mạch điện tương đương gồm các điện trở và điện kháng đặc trưng cho mba gọi là mạch điện thay thế mba

Trên hình 3.2a trình bày MBA mà tổn hao trong dây quấn và từ thông tản được đặc trưng bằng điện trở R và điện cảm L mắc nối tiếp với dây quấn sơ và thứ cấp Để có thể nối trực tiếp mạch sơ cấp và thứ cấp với nhau thành một mạch điện,

các dây quấn sơ cấp và thứ cấp phải có cùng một cấp điện áp Trên thực tế, điện áp

của các dây quấn đó lại khác nhau Vì vậy phải qui đổi một trong hai dây quấn về

dây quấn kia để cho chúng có cùng một cấp điện áp Muốn vậy hai dây quấn phải có số vòng dây như nhau Thường người ta qui đổi dây quấn thứ cấp về dây quấn sơ cấp, nghĩa là coi dây quấn thứ cấp có số vòng dây bằng số vòng dây của dây quấn sơ cấp Việc qui đổi chỉ để thuận tiện cho việc nghiên cứu và tính toán mba, vì vậy yêu cầu của việc qui đổi là quá trình vật lý và năng lượng xảy ra trong máy mba trước và sau khi qui đổi là không đổi

3.2.1 Qui đổi các đại lượng thứ cấp về sơ cấp

U& = & − & = &

Trong đó: , , , , tương ứng là sđđ, điện áp, dòng điện, tổng trở dây quấn và tổng trở tải thứ cấp qui đổi về sơ cấp

3.2.2 Mạch điện thay thế chính xác của MBA

Dựa vào hệ phương trình qui đổi (3.25a,b,c) ta suy ra một mạch điện tương ứng gọi là mạch điện thay thế của MBA như trình bày trên hình 3.3

Xét phương trình (3.23a), vế phải phương trình có Z1I& là điện áp rơi trên tổng trở 1 dây quấn sơ cấp Z1 và −E&1 là điện áp rơi trên tổng trở Zm, đặc trưng cho từ thông chính và tổn hao sắt từ Từ thông chính do dòng điện không tải sinh ra, do đó ta có thể viết :

trong đó: Zm = rm + jxm là tổng trở từ hóa đặc trưng cho mạch từ • rm là điện trở từ hóa đặc trưng cho tổn hao sắt từ

• xm là điện kháng từ hóa đặc trưng cho từ thông chính Φ

Hình 3-3 Mạch điện thay thế của MBA một pha hai dây quấn

3.2.3 Mạch điện thay thế gần đúng của MBA

Trên thực tế thường tổng trở nhánh từ hóa rất lớn (Zm >> Z1 và Z’2), do đó trong nhiều trường hợp có thể bỏ qua nhánh từ hóa (Zm = ∞ ) và thành lập lại sơ đồ thay thế gần đúng trình bày trên hình 3.3a

Khi bỏ qua tổng trở nhánh từ hóa, ta có:

Zn = Z1 + Z’2 = rn + jxn (3.28)

Trong đó Zn = rn + jxn là tổng trở ngắn mạch của mba; rn = r1 + r’2 là điện trở ngắn mạch của mba; xn = x1 + x’2 là điện kháng ngắn mạch của mba.

Trong MBA thường rn << xn, nên có thể bỏ qua điện trở ngắn mạch (rn = 0) Trong trường hợp này mạch điện thay thế MBA trình bày trên hình 3.3b

Hình 3-3 Mạch điện tương đương gần đúng của MBA một pha hai dây quấn

3.3 ĐỒ THỊ VECTƠ CỦA MÁY BIẾN ÁP

Vẽ đồ thị vectơ của mba nhằm mục đích thấy rõ quan hệ về trị số và góc lệch pha giữa các đại lượng vật lý , , , trong MBA, đồng thời để thấy rõ được sự thay đổi các đại lượng vật lý đó ở các chế độ làm việc khác nhau

Φ& U& I&

Hình 3-4 Đồ thị vector của máy biến áp

a, Tải tính cảm; b Tải tính dung

Hình 3-4a là đồ thị vectơ mba trong trường hợp phụ tải có tính chất điện cảm Đồ thị vectơ được vẽ dựa vào các phương trình cân bằng điện áp và stđ của MBA Cách vẽ đồ thị vectơ như sau :

+ Đặt vectơ từ thông Φ&mtheo chiều dương trục hoành trục hoành + Vẽ vectơ dòng điện không tải I&0,vượt trước Φ&m một góc α

+ Vẽ các vectơ sđđ E&1và ' 1do sinh ra, chậm sau nó một góc 90

+ Do tải có tính điện cảm nên dòng điện I&'2 chậm sau E&'2một góc ψ2

+ Theo phương trình (3.25c), ta vẽ vectơ dòng điện bằng vectơ dòng điện cộng với vectơ dòng điện

1 I& 0

I& (−&I'2)

+ Vẽ các vectơ khác dựa vào các phương trình cân bằng (3.25a,b)

Đồ thị vectơ mba khi phụ tải có tính dung vẽ tương tự, nhưng dòng điện

Đồ thị vectơ đơn giản mba

Hình 3-5 Đồ thị vectơ đơn giản mba

Trong sơ đồ thay thế gần đúng (hình 3-3a), ta cho là dòng điện &Io =0, nên : &I1 I&2

Phương trình cân bằng điện áp : U1 U'2 I1Zn (3.30)

Ta vẽ được đồ thị vector tương ứng khi phụ tải có tính cảm như hình 3.5

3.4 XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ CỦA MÁY BIẾN ÁP

Các tham số của MBA có thể xác định bằng thí nghiệm hoặc bằng tính toán

3.4.1 Xác định các tham số bằng thí nghiệm

Hai thí nghiệm dùng để xác định các tham số là thí nghiệm không tải và thí nghiệm ngắn mạch

1 Thí nghiệm không tải mba

Chế độ không tải mba là chế độ mà thứ cấp hở mạch (I2 = 0), còn sơ cấp được cung cấp bởi một điện áp U1 Trên hình 3.6 là mạch điện thay thế máy biến áp khi

U& =−& +&

hoặc U&1 =&I0(Z1+Zm)=I&0Z0 (3.31b) trong đó: Z0 = Z1 + Zm = ro + jxo là tổng trở không của tải mba;

ro = r1 + rm là điện trở không của tải mba; xo = x1 + xm là điện kháng không của tải mba;

Để xác định hệ số biến áp k, tổn hao sắt từ trong lõi thép pFe, và các thông số của mba ở chế độ không tải, ta thí nghiệm không tải Sơ đồ nối dây để thí nghiệm không tải như trên hình 3.7 Đặt điện áp U1 = U1đm vào dây quấn sơ cấp, thứ cấp hở mạch, các dụng cụ đo cho ta các số liệu sau: oát kế W đo được P0 là công suất không tải; Ampe kế đo I0 là dòng điện không tải; còn vôn kế nối phía sơ cấp và thứ cấp lần lược đo U1đm và U20 là điện áp sơ cấp và thứ cấp

Từ các số liệu đo được, ta tính :

Từ mạch điện thay thế hình 3.6, ta thấy tổn hao không tải là tổn hao đồng trên dây quấn sơ và tổn hao sắt trong lõi thép Như vậy tổn hao không tải :

Do điện trở của dây quấn sơ và dòng điện không tải nhỏ nên ta bỏ qua tổn hao đồng trên dây quấn sơ lúc không tải Như vậy tổ hao không tải Po thực tế có thể xem là tổn hao sắt pFe do từ trễ và dòng điện xoáy trong lõi thép gây nên

Vì điện áp đặt vào dây quấn sơ không đổi, nên Φ, do đó B cũng không đổi, nghĩa là tổn hao sắt, tức tổn hao không tải không đổi o ≈ 90o, nghĩa là hệ số công suất lúc không tải rất thấp, thường cosϕo ≤ 0,1 Điều này có ý nghĩa thực tế rất lớn là không nên để MBA làm việc không tải hoặc non tải, vì lúc đó sẽ làm xấu hệ số công suất của lưới điện

2 Thí nghiệm ngắn mạch mba

Chế độ ngắn mạch mba là chế độ mà phía thứ cấp bị nối tắt, sơ cấp đặt vào một điện áp U1 Trong vận hành, nhiều nguyên nhân làm máy biến áp bị ngắn mạch như hai dây dẫn phía thứ cấp chập vào nhau, rơi xuống đất hoặc nối với nhau bằng tổng trở rất nhỏ Đấy là tình trạng ngắn mạch sự cố, cần tránh

Hình 3.8 Mạch điện thay thế m.b.a khi ngắn mạch

Khi m.b.a ngắn mạch U2 = 0, mạch điện thay thế m.b.a vẽ trên hình 3.8 Dòng điện sơ cấp là dòng điện ngắn mạch In

Phương trình điện áp của mba ngắn mạch:

U&1 =I&n rn + jxn &In =I&nZn (3.41)

Từ phương trình (3.41), ta có dòng điện ngắn mạch khi U1 = Uđm:

Do tổng trở ngắn mạch rất nhỏ nên dòng điện ngắn mạch rất lớn khoảng bằng (10 ÷ 25)Iđm Đây là trường hợp sự cố, rất nguy hiểm cho máy biến áp Khi sử dụng mba cần tránh tình trạng ngắn mạch nầy

Tiến hành thí nghiệm NM như sau: Dây quấn thứ cấp nối ngắn mạch, dây quấn sơ cấp nối với nguồn qua bộ điều chỉnh điện áp Ta điều chỉnh điện áp vào dây quấn sơ cấp sao cho dòng điện trong các dây quấn bằng định mức Điện áp đó gọi là điện áp ngắn mạch Un Lúc đó các dụng cụ đo cho ta các số liệu sau: Vôn kế chỉ Un là điện áp ngắn mạch; oát kế chỉ Pn là tổn hao ngắn mạch; Ampe kế chỉ I1đm và I2đm là dòng điện sơ cấp và thứ cấp định mức Từ các số liệu đo được, ta tính :

a) Tổn hao ngắn mạch

Lúc thí nghiệm ngắn mạch, điện áp ngắn mạch Un nhỏ (un = 4-15%Uđm) nên từ thông Φ nhỏ, có thể bỏ qua tổn hao sắt từ Công suất đo được trong thí nghiệm ngắn mạch Pn là :

Pn = rnIn2 = r1I21đm + r2I22đm (3.44)

Như vậy tổn hao ngắn mạch chính là tổn hao đồng trên hai dây quấn sơ cấp và dây quấn thứ cấp khi tải định mức

b) Tổng trở, điện trở và điện kháng ngắn mạch

Điện áp ngắn mạch phần trăm:

Điện áp ngắn mạch Un gồm hai thành phần: Thành phần trên điện trở rn, gọi là điện áp ngắn mạch tác dụng Unr, Thành phần trên điện kháng xn, gọi là điện áp ngắn mạch phản kháng Unx

+ Điện áp ngắn mạch tác dụng phần trăm:

kr : hệ số làm tăng tổn hao do từ trường tản ρ75 : điện trở suất của dây dẫn làm dây quấn

Điện kháng ngắn mạch

Việc xác định x1 và x2 liên quan đến việc xác định sự phấn bố từ trường tản của từng dây quấn Ở dây ta xác định x1 và x2 gần đúng với giả thiết đơn giản Xét cho trường hợp dây quấn hình trụ (hình 3-8) Chiều dài tính toán của dây quấn lσ lớn hơn chiều dài thực l của dây quấn một ít :

Xác định biên giới từ thông tản của hai dây quấn sẽ rất khó khăn, do đó việc tính toán riêng rẽ các tham số x1 và x2 không thể thực hiện được Ta có thể xác