CHƯƠNG 5 CÁC MÁY BIẾN ÁP LÀM VIỆC SONG SONG 5.1 Mở đầu Khi phải tăng công suất cấp cho phụ tải, hoặc đảm bảo cấp điện liên tục cho phụ tải ta cho các biến áp làm việc song song. Hai biến áp gọi là làm việc song song với nhau khi các cuộn dây sơ cấp nối chung vào lưới điện cung cấp, còn cuộn thứ cấp nối chung vào tải. Có một yêu cầu rất quan trọng là: khi các biến áp làm việc song song nếu không tải, thì chỉ có dòng rất nhỏ chạy phía sơ cấp các biến áp và khi có tải phải đảm bảo phân tải đều giữa các máy biến áp. Khái niệm phân tải đều ở đây là ta phải đảm bảo phân tải tỷ lệ với công suất định mức của từng máy, tránh có máy làm việc quá tải lại có máy làm việc chưa đến tải. Công suất từ các biến áp đưa đến tải phải là tổng số học các công suất của từng biến áp, điều này đòi hỏi dòng các biến áp phải cùng pha với nhau. 5.2 Điều kiện để các biến áp làm việc song song và phương pháp kiểm tra các điều kiện ấy. Để các máy biến áp làm việc song song với nhau phải thoả mãn các điều kiện sau: 1-Điện áp định mức phía sơ cấp các biến áp phải bằng nhau; 2-Điện áp định mức phía thứ cấp phải bằng nhau; 3-Tổ nối dây các biến áp phải giống nhau; 4-Các trụ đấu dây cùng tên phải được nối vào cùng một dây. Chúng ta hãy xét hậu quả xảy ra khi các biến áp làm việc song song mà một trong nhứng điều kiện trên không thoả mãn. a-Khi điều kiện 1 và 2 không thoả mãn. Để giải thích các hiện tượng xảy ra trong biến áp ta sử dụng đặc tính ngoài của biến áp (hình 5.1) Từ hình vẽ ta thấy rằng do đặc tính ngoài của 2 biến áp khác nhau(không trùng nhau) nên khi làm việc song song, điện áp các biến áp bằng nhau nhưng dòng chạy qua các biến áp khác nhau, máy có đặc tính ngoài thấp sẽ tải ít hơn máy có đặc tính ngoài cao. Trong trường hợp này khi ngắt tải khỏi biến áp, trong 2 biến áp 58 Hình 5.1 Đặc tính ngoài của 2 biến áp làm việc song song. U 2 U II 20 U I 20 P I P II I I I II I vẫn có dòng cân bằng chạy giữa 2 cuộn thứ cấp vì U II 20 >U I 20 . Lúc này biến áp 1 là tải của biến áp 2. b-Khi nối nhầm trụ đấu dây ví dụ: pha A máy I nối vào trụ A nhưng pha B của máy II lại nối vào trụ này, lúc bấy giờ 2 cuộn thứ cấp của biến áp sẽ chịu điện áp dây nên xuất hiện dòng cân bằng lớn. Những biến áp có tổ nối dây khác nhau cũng có thể làm việc song song được, nhưng phải đảm bảo sự bằng nhau về giá trị và pha của điện áp được mắc vào cùng một trụ đấu dây. Để kiểm tra điều này ta dùng phương pháp gương soi. Nội dung của phương pháp như sau: khi tổ đấu dây của 2 biến áp khác nhau, ta dựng sao điện áp của chúng, rồi dùng một gương, soi sao điện áp của một biến áp vào gương. Nếu ảnh của sao biến áp này giống sao của biến áp kia, thì chúng làm việc song song được với nhau. Ví dụ: 2 biến áp có tổ nối dây Dy-5 và Dy-11 có thể làm việc song song được với nhau. Muốn kiểm tra điều này ta dùng phương pháp gương soi (hình 5.2). Qua kiểm tra ta thấy 2 biến áp này làm việc được với nhau, chỉ có điều pha a của biến áp Dy-11 phải nối với trụ nối dây pha c của biến áp Dy5, còn pha c của biến áp Dy-11 phải nối với trụ nối dây pha a của Dy-5. Khi có khi 2 máy biến áp làm việc song song thì: U’ I 1 =U’ II 2 59 A A BC C B b c a c a b b a c b) a) Gương soiDy-5 Dy-11 Hình 5.2 Phương pháp gương soi kiểm tra tổ nối dây khi đưa biến áp vào làm việc song song Ảnh của Dy-11 Và Z ngm I I I = Z ngmII I II do đó: I ngm II ngm II I Z Z I I = Viết ở đại lượng tương đối : I ngm II ngm II I U U I I % % = hay I ngm II ngm II I Z Z S = S Từ đây ta thấy để phân chia tải tỷ lệ với công suất định mức các biến áp, thì điện áp ngắn mạch của biến áp phải bằng nhau vì khi 2 máy biến áp làm việc song song với nhau thì máy biến áp nào có điện áp ngắn mạch lớn sẽ có dòng tải nhỏ (vì U ngm lớn thì U 2 nhỏ do đó dòng tải nhỏ và ngược lại). Khi hai biến áp làm việc song song, thì biến áp có công suất lớn nên chọn biến áp có điện áp ngắn mạch nhỏ để có thể sử dụng được toàn bộ công suất của máy này. Vì một điều kiện nào đó, phải làm việc song song 2 biến áp có điện áp ngắn mạch khác nhau thì nên mắc nối tiếp với máy biến áp có điện áp ngắn mạch nhỏ một cuộn kháng. Để công suất ra bằng tổng số học công suất từng máy, nên chọn 2 biến áp có công suất định mức bằng nhau, vì nếu công suất định mức khác nhau cosϕ ngm khác nhau nên dòng sẽ lệch pha nhau. 60 CHƯƠNG 6 QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ CỦA MÁY BIẾN ÁP 6.1 Khái niệm Quá trình quá độ xảy ra khi chuyển từ trạng thái ổn định này sang trạng thái ổn định khác. Như vậy quá trình quá độ trong máy biến áp xảy ra khi: đưa biến áp vào làm việc với lưới, khi điều chỉnh điện áp, khi thay đổi tải, khi ngắn mạch, khi bị xét đánh và khi cắt biến áp ra khỏi tải, hoặc lưới cung cấp. Sự chuyển từ trạng thái ổn định này sang trạng thái ổn định khác là sự thay đổi năng lươịng chứa ở trong từ trường và điện trường của toàn mạch. Vì mạch có một quán tính nhất định, cho nên sự thay đổi năng lượng không thể xảy ra tức thời, mà phải sau một thời gian nhất định. Số đo quán tính của mạch là độ tự cảm L. Quá trình quá độ bị dập tắt dần do năng lượng bị tiêu tán ở điện trở R. Với mạch R và L thì thời gian quá độ xác định bằng hằng số thời gian của mạch τ=L/R. Quá trình quá độ được mô tả bằng phương trình vi phân có vế phải. Giải phương trình vi phân này, ta được 2 quá trình:quá trình ổn định và quá trình tự do. Đặc tính của quá trình tự do, phụ thuộc vào sự thay đổi năng lượng của từ trường, cùng với sự thay đổi này xuất hiện dòng và điện áp tự do. Dòng điện và điện áp ở quá trình quá độ, có thể có giá trị rất lớn so với lúc máy làm việc bình thường, vì lý do đó khi thiết kế cần phải lưu ý tới điều này (lưu ý về độ bến cơ học, về điện và phương pháp bảo vệ v.v.). 6.2 Quá trình quá độ khi đưa máy biến áp vào lưới điện. Ta nghiên cứu quá trình xảy ra trong máy biến áp khi đưa biến áp vào lưới điện cung cấp. Nếu bỏ qua điện trở cuộn sơ cấp (R 1 =0) và tổn hao trong lõi thép (R Fe = 0) thì sơ đồ tương đương của máy biến áp có dạng như hình 6.1. Giả thiết rằng, độ cảm ứng từ của biến áp L 1 =const và từ thông dư không tồn tại φ dư =0 ta có: L 1 dt di 0 = u 1 = U 1max sin(ωt+ϕ) (6.1) góc ϕ là góc ứng với thời điểm đưa biến áp vào lưới điện, tức là thời điểm t=0. Giải phương trình vi phân ta có: i 0 = 1 max1 L U ω sin(ωt+ϕ- 2 π )+C (6.2) Ở đây C-là hằng số tích phân, phụ thuộc vào điều kiện đầu. Tại thời điểm đưa biến áp vào lưới (t=0, ϕ=0 ) thì dòng điện i 0 =0 do đó: C=- 1 max1 L U ω sin(ϕ- 2 π ) Do đó dòng điện không tải ở quá trình quá độ có dạng: i 0 = 1 max1 L U ω sin(ωt+ϕ- 2 π )- 1 max1 L U ω sin(ϕ- 2 π ) (6.3) 61 Trong đó dòng ổn định i ôđ bằng: i ôđ = 1 max1 L U ω sin(ωt+ϕ- 2 π ) còn dòng tự do: 62 ∼ i 0 L 1 u,i t u 1 i 0 1 1 2 L U m ω 1 1 L U m ω 1 1 L U m ω − t=0 i ôđ T 2I môđ t ϕ=90 0 i 0 1 1 L U m ω i 0 =i ôđ t=0 t=0 i ôđ ω ϕ T T t t t i T u 1 i ôđ u 1 ϕ=45 0 ϕ=0 0<ϕ=90 0 i ôđmax u 1 Hình 6.1 Đặc tính quá độ của dòng biến áp khi đưa vào lưới cung cấp. i t i ôđ i T a) b) c) d) i td = - 1 max1 L U ω sin(ϕ- 2 π ) Đặt I 0max = 1 max1 L U ω thì dòng quá độ của biến áp có dạng: i 0 =I 0max sin(ωt+ϕ- 2 π )-I 0max sin(ϕ- 2 π ) =i ôđ +i td (6.4) Kết luận; Nếu bỏ qua R 1 , thì dòng điện tự do có giá trị không đổi và phụ thuộc vào thời điểm đưa biến áp vào lưới điện. Ta xét một số trường hợp a-Khi ϕ=0; Ta thực hiện đóng biến áp vào lưới điện khi điện áp lưới đạt giá trị 0 (hình 6.1b), bên trái vẽ i oôđ , i 0td và i 0 với tỷ lệ nhỏ hơn. b-Khi ϕ =π/2. Đây là khi đóng biến áp vào lưới điện , điện áp lưới đạt giá trị cực đại (hình 6.1c) c-Khi 0<ϕ <π/2 . Đây là trường hợp đưa biến áp vào lưới điện ở thời điểm bất kỳ (hình 6.1d). Từ hình vẽ ta thấy, nếu đưa biến áp vài lưới cung cấp khi điện áp đạt giá trị cực đại, thì dòng quá độ có dạng của dòng ổn định, còn đưa biến áp vào lưới khi điện áp lưới bằng không, thì dòng quá độ đạt giá trị gần bằng 2 lần giá trị dòng ổn định I 0max =2I 0maxôđ . Vì I 0 =0 nên tại thời điểm t=0 dòng I otd và I 0ôđ có giá trị bằng nhau nhưng ngược chiều. -Khi R 1 ≠ 0 (hình 6.2) Vẫn giả thiết L 1 =const thì ta có: 63 ∼ L 1 u 1 a) u,i u 1 i 0 t=0 i ôđ T ϕ=0 i ôđ b) t 2I môđ i t i ôđ Hình 6.2 Đặc tính quá độ của biến áp khi R 1≠ 0 i 0 R 1 i 0 R 1 +L 1 dt di 0 = u 1 = U 1max sin(ωt+ϕ) Giải phương trình và lưu ý i 0 =0 ta được: i 0 = Z U max1 sin(ωt+ϕ 0 - 2 π )- Z U max1 sin(ϕ-ϕ 0 )e T t − = i ôđ +i td (6.5) Trong đó ϕ 0 =arctg 1 1 R L ω , T= 1 1 R L Giống như trước, nhưng có thêm thành phần tắt dần ở dòng tự do (hình 6.2b). Để xem sự biến thiên của từ thông, ta dùng phương trình sau: u 1 = R 1 i 0 + dt d ψ =R 1 i 0 +W 1 dt d φ (6.6) Giả thiế rằng R 1 =0 ta có: W 1 dt d φ =u 1 =U 1max sin(ωt+ϕ) (6.7) Sau khi giải phương trình này ta được: φ = 1 max1 W ω U sin(ωt+ϕ- 2 π )+C (6.8) Nếu φ dư ≠0 thì ta có: C=- 1 max1 W ω U sin(ϕ- 2 π )±φ dư (6.9) Đặt 1 max1 W ω U =φ max ta được: φ = φ max sin(ωt+ϕ- 2 π )-φ max sin(ϕ- 2 π ) ±φ dư = φ ôđ + φ td ± φ dư (6.10) Phân tích như trên, ta tìm được những giá trị khác nhau của từ thông với những giá trị ϕ khác nhau và chiều φ dư khác nhau. Biên độ φ sẽ cực đại khi ϕ=0 và φ dư >0. Nếu R 1 ≠0 thì: φ = φ max sin(ωt+ϕ- 2 π )-[φ max sin(ϕ- 2 π ) ±φ dư ]e -t/T = φ ôđ + φ td ± φ dư (6.11) 64 CHƯƠNG 7 MÁY BIẾN ÁP ĐẶC BIỆT 7.1 BIẾN ÁP 3 CUỘN DÂY Trong thực tế kỹ thuật, nhiều khi cần phải nối 3 lưới điện có điện áp khác nhau. Lúc này người ta dùng biến áp 3 cuộn dây. Ở biến áp này, 3 cuộn dây đều được đặt trên một trụ lõi thép. Trong công nghiệp điện năng, phụ thuộc vào nơi sử dụng và nhiệm vụ, mà mỗi cuộn dây có thể đóng vai trò cuộn sơ cấp hay thứ cấp. Chúng ta nghiên cứu tính chất của biến áp này. Trên hình 7.1 biểu diễn sơ đồ biến áp 3 cuộn dây Ở trạng thái làm việc ổn định và điện áp nguồn cung cấp là hình sin, với mũi tên chỉ hướng như hình 7.1 ta có các phương trình sau: 313212111 1 1 1 ( ZLZLZLjIRU +++= •• ω 331121222 2 2 2 ( ZLZLZLjIRU +++= •• ω (7.1) 232131333 31 3 3 ( ZLZLZLjIRU +++= •• ω 3 3 2 2 1 1 1 0 WWWW •••• ++= IIII Trong đó L 11 , L 22 , L 33 -độ tự cảm của các cuộn dây, còn L 12 , L 23 , L 31 - độ tự cảm tương hỗ giữa các cuộn dây. Như những biến áp khác, chúng ta qui đổi cuộn dây về một phía. Giả thiết như sau: k u12 = • 2 1 W W ; k u13 = • 3 1 W W Đưa về cuộn W 1 ta có: 13 3 , 3 12 2 , 2 1 ; 1 uu k II k II •••• == (7.2) 65 ∼ 2 2 1 1 3 3 U 1 U 2 U 3 I 1 I 2 I 3 Hình 7.1 Sơ đồ biến áp 3 cuộn dây Để đơn giản, ta giả thiết W 1 =W 2 =W 3 lúc này ta có: 3210 •••• ++= IIII (7.3) Thay (7.3) vào (7.1) ta được: [ ] [ ] 0 2313 2 131223222 1 232113111 21 )(()()( ••••• −−+−−+−+−−+=− ILLjILLLLjRILLLLjRUU ωωω [ ] [ ] 0 3212 3 121332333 1 323112111 31 )(()()( ••••• −−+−−+−+−−+=− ILLjILLLLjRILLLLjRUU ωωω Thành phần I 0 rất nhỏ so với các thành phần không chứa I 0 và vì có: L 12 =L 21 ; L 13 =L 31 , L 23 =L 32 ta ký hiệu: Z 1 =R 1 +jω(L 11 -L 12 -L 13 +L 23 )=R 1 +jX 1 Z 2 =R 2 +jω(L 22 -L 23 -L 21 +L 31 )=R 2 +jX 2 (7.4) Z 3 =R 3 +jω(L 33 -L 32 -L 31 +L 21 )=R 3 +jX 3 Vậy ta có: 2 2 1 1 21 •••• −=− IZIZUU 3 3 1 1 31 •••• −=− IZIZUU (7.5) Hoặc: 2 2 1 1 21 •••• −+= IZIZUU 2 2 1 1 311 •••• −+= IZIZUU (7.6) và 0 321 =++ ••• III (7.7) Khi bỏ qua dòng không tải, dựa vào (7.6) và (7.7) ta có sơ đồ tương đương như hình 7.2 và đồ thị véc tơ như hình 7.3 Giá trị X 1 , X 2 , X 3 phụ thuộc trước hết vào vị trí các cuộn dây đối với nhau. Với cách phân bố thích hợp, ta có thể thay đổi được đặc tính công tác của biến áp. Đồ thị véc tơ (hình 7.3) vẽ cho trường hợp X 1 <0 và không giữ đúng tỷ lệ giữa các véc tơ nhằm làm sáng sủa cho hình vẽ. Để dựng được đồ thị véc tơ, nhất thiết phải biết được góc α (giữa I 2 và I 3 ) vì góc giữa U 1 , U 2 , U 3 rất nhỏ nên nhận β=0, ta có α=ϕ 3 -ϕ 2 . Vậy có thể tìm được α khi biết tải của cuộn 2 và 3 (cosϕ 2 , cosϕ 3 ). Để xác định Z 1 , Z 2 , Z 3 ta thực hiện 3 lần ngắn mạch. 66 U 1 I 1 Z 1 I 3 Z 3 I 3 I 2 Z 2 I 2 U 2 U 3 Hình 7.2 Sơ đồ tương đương của máy biến áp 3 cuộn dây Hình 7.3 Đồ thị véc tơ của biến áp 3 cuộn dây • 1 I • 3 I • 2 I • 2 I • 3 I • 1 U • 2 U • 3 U • 11 IjX • 22 IjX • 33 IjX 11 RI • 22 RI • 33 RI • ϕ 1 ϕ 3 ϕ 2 α β Z 2 Z 1 Z 3 I 1 Khi cung cấp cho cuộn 1, ngắn mạch cuộn 2, cuộn 3 hở, ta xác định được Z ngm12 , bằng cách tương tự ta có Z ngm23 và Z ngm31 . Vì Z ngm12 =Z 1 +Z 2 ;Z ngm13 =Z 1 +Z 3 và Z ngm23 =Z 2 +Z 3 do đó: Z 1 = ( 2 1 Z ngm12 + Z ngm13 - Z ngm23 ) Z 2 = ( 2 1 Z ngm12 + Z ngm23 - Z ngm13 ) (7.8) Z 1 = ( 2 1 Z ngm13 + Z ngm23 - Z ngm13 ) Ở những máy công suất lớn có thể nhận R 1 =R 2 =R 3 =0 do đó: Z 1 =X 1 , Z 2 =X 2 , Z 3 =X 3; Biến đổi (7.5) ta rút ra: )( 321 ••• +−≈ III ta nhận được: 3 1 2 21 21 )( •••• −+−= IZIZZUU Và vì rằng 1222 ngm ZZZ ••• =+ Vậy: 3 1 2 12 21 •••• −−= IZIZUU ngm (7.9) Hoặc: 2 1 3 23 31 •••• −−= IZIZUU ngm (7.9a) Từ phương trình này ta thấy, sự ảnh hưởng qua lại của các cuộn dây với nhau. Ví dụ khi cấp điện áp vào cuộn 1, thì từ (7.9a) ta thấy được ảnh hưởng của cuộn 3 lên cuộn 2 và từ (7.9) ta thấy ảnh hưởng của cuộn 2 lên cuộn 3. Khi bố trí cuộn dây một cách thích hợp, ta có thể hạn chế được các ảnh hưởng của chúng, ví dụ: khi cấp điện cho cuộn 1 thì nên bố trí cuộn 1 ở giữa, vì lúc này Z 1 ≈0 và ta có thể chấp nhận rằng điện áp ở các cuộn 2 và 3 chỉ ảnh hưởng do chính dòng của nó thôi vì: 2 12 21 ••• −= IZUU ngm còn 3 13 13 ••• += IZUU ngm Bảng định mức của biến áp 3 cuộn dây phải chứa các đại lượng sau: Điện áp, công suất của mỗi cuộn dây, điện áp ngắn mạch của từng cuộn dây. Công suất của máy biến áp sẽ là công suất của cuộn dây có giá trị lớn nhất. 7.2 BIẾN ÁP TỰ NGẪU Đây là biến áp đặc biệt, ở biến áp này cuộn thứ cấp là một phần của cuộn sơ cấp. Để giải thích nguyên lý hoạt động của máy biến áp tự ngẫu, ta xét một biến áp 2 cuộn dây bình thường có hệ số biến áp k u ≠1(hình 7.4). Trước hết ta nối x với X, sau đó ta tìm trên cuộn sơ cấp một điểm A 1 mà điện thế của nó bằng điện thế điểm a ở cuộn thứ cấp. Nối điểm A 1 với a (hình 7.4b), sẽ không gây ra sự thay đổi nào về dòng điện, nếu vậy ta có thể thay cuộn dây ax và phần A 1 X bằng một cuộn dây hình 7.5, ta được một biến áp tự ngẫu. 67 A X x a A 1 U 1 U 2 W 1 W 1 I 1 I 2 I 2 -I 1 Z t Hình 7.5 Biến áp tự ngẫu A X x U 1 a U 2 Hình 7.4 Biến áp có k u≠ 1 A X x U 1 a U 2 A 1 A 1 a) b) [...]... được từ thông đi qua cột thép có cuộn thứ cấp Ở chế độ không tải, từ thông φ1 do cuộn sơ cấp tạo ra phụ thuộc vào điện áp U1 Một phần từ thông này khép kín qua SUN, phần còn lại qua cuộn thứ cấp Khi giảm khe khí của SUN từ, phần lớn từ thông khép kín qua SUN (φ3) chỉ có phần nhỏ (φ2) khép kín qua cuộn thứ cấp do đó điện áp cuộn thứ cấp khi không tải nhỏ Khi tải biến áp, từ thông chui qua cuộn dây giảm,... lại truyền sang bằng từ trường Ta có mối liên hệ sau đây: I1(W1-W2)= (I2-I1)W2 (7.12) Vậy I1W1-I2W2 = 0 Đây là quan hệ về từ của biến áp Dòng I1 chạy từ lưới cung cấp, đem nhân dòng này với điện áp của phần cuộn dây không chung (W1-W2), nhận được năng lượng chuyển qua từ trường Vậy năng lượng chuyển qua thứ cấp bằng con đường từ xác định như sau: St=(U1-U2)I1 (7.13) Dòng I1 chạy từ lưới điện vào, đem... được điện áp ra Biến áp tự ngẫu cho ta thay đổi điện áp ra vô cấp 68 -Dùng ít đồng hơn so với biến áp thường, hiệu suất lớn hơn biến áp thường vì tổn hao đồng và thép nhỏ hơn do lượng sử dụng các vật liệu này ít hơn biến áp thường Nhược điểm của biến áp tự ngẫu là mọi biến động ở phía sơ cấp đều được chuyển sang thứ cấp Giống như biến áp thường, ta có thể cung cấp điện vào phía hạ áp (thứ cấp) để nhận... ở trạng thái không tải như sau: U W 1 1 ku= U ≈ W (7.11) 2 2 trong đó W1 là số vòng dây sơ cấp, W2-số vòng dây cuộn thứ cấp (hình 7.5) Nếu ku≈1 thì dòng I rất nhỏ so với I 1 và I2 Tiết diện dây dẫn ở phần chung có thể nhỏ, do vậy tiết kiệm được đồng Ở biến áp thường, năng lượng truyền từ sơ cấp sang phía thứ cấp bằng con đường từ trường, còn ở biến áp tự ngẫu việc truyền năng lượng sơ cấp sang thứ . [ ] [ ] 0 2 313 2 13 1223222 1 23 211 311 1 21 )(()()( ••••• −−+−−+−+−−+=− ILLjILLLLjRILLLLjRUU ωωω [ ] [ ] 0 3 212 3 12 1332333 1 32 311 211 1 31 )(()()( ••••• −−+−−+−+−−+=−. trình sau: 313 212 111 1 1 1 ( ZLZLZLjIRU +++= •• ω 3 311 212 22 2 2 2 ( ZLZLZLjIRU +++= •• ω (7 .1) 23 213 1333 31 3 3 ( ZLZLZLjIRU +++= •• ω 3 3 2 2 1 1 1 0 WWWW