CHƯƠNG 5

MÁY BIẾN ÁP

1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP

Để biến đổi điện áp của dòng điện xoay chiều từ điện áp cao xuống điện áp thấp hoặc ngược lại từ điện áp thấp lên điện áp cao, ta dùng máy biến áp. Ngày nay do việc sử dụng điện năng phát triển rộng rãi, nên có những loại máy biến áp khác nhau: máy biến áp một pha, máy biến áp ba pha, máy biến áp hai dây quấn, ba dây quấn,... nhưng chúng đều dựa trên một nguyên lý chung đó là nguyên lý cảm ứng điện từ.

1.1 Khái niệm:

Máy biến áp là một thiết bị điện từ tĩnh, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi điện áp của hệ thống dòng điện xoay chiều nhưng vẫn giữ nguyên tần số.

Trong các bản vẽ, máy biến áp được ký hiệu như hình 4-1

Hình 4.1

Đầu vào của máy biến áp nối với nguồn điện được gọi là sơ cấp. Đầu ra nối với tải gọi là thứ cấp.

Các đại lượng, thông số của máy biến áp:

Các đại lượng và thông số Sơ cấp Thứ cấp

• Điện áp U1 U2

• Dòng điện I1 I2

• Tấn số f f

• Công suất P1 P2

• Số vòng dây w1 w2

1.2 Các đại lượng định mức:

Các đại lượng định mức của máy biến áp do nhà chế tạo qui định để cho máy có khả năng làm việc lâu dài và hiệu quả nhất. Ba đại lượng định mức cơ bản là:

a. Điện áp định mức:

- Điện áp sơ cấp định mức (U1đm): là điện áp đã qui định cho dây quấn sơ cấp, đối với máy biến áp ba pha là điện áp dây.

- Điện áp thứ cấp định mức (U2đm): là điện áp giữa các đầu ra của dây quấn thứ cấp, là điện áp dây (đối với máy biến áp ba pha), khi dây quấn thứ cấp hở mạch (không nối với tải) và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức.

Điện áp định mức quyết định việc bố trí cuộn dây cách điện giữa các lớp, các vòng dây và lựa chọn vật liệu cách điện để đảm bảo an toàn. Đơn vị của điện áp định mức là V hoặc kV.

b. Dòng điện định mức:

Dòng điện định mức là dòng điện đã qui định cho mỗi dây quấn của máy biến áp, ứng với công suất định mức và điện áp định mức.

Khi điện áp đặt vào cuộn dây sơ cấp là định mức và nối cuộn dây thứ cấp với tải có công suất bằng công suất định mức của máy biến áp thì dòng điện đo được trên cuộn dây sơ cấp là dòng điện sơ cấp định mức (I1đm) và dòng điện đo được trên cuộn dây thứ cấp là dòng điện thứ cấp định mức (I2đm).

Đối với máy biến áp một pha, dòng điện định mức là dòng điện pha. Đối với máy biến áp ba pha, dòng điện định mức là dòng điện dây.

Khi thiết kế máy biến áp người ta căn cứ vào dòng điện định mức để chọn tiết diện dây quấn sơ cấp và thứ cấp, xác định các tổn hao năng lượng trong điện trở dây quấn để đảm bảo nhiệt độ tăng trong quá trình sử dụng không vượt quá giới hạn an toàn.

c. Công suất định mức:

Công suất định mức của máy biến áp là công suất biểu kiến thứ cấp ở chế độ làm việc định mức. Công suất định mức ký hiệu Sdm, đơn vị là VA hoặc kVA.

Đối với máy biến áp một pha, công suất định mức là:

Sđm = U2đm * I2đm = U1đm * I1đm (4-1)

Đối với máy biến áp ba pha, công suất định mức là:

Sđm = U2đm * I2đm = U1đm * I1đm (4-2)

Ngoài ra trên nhãn máy còn ghi tần số, số pha, sơ đồ nối dây, điện áp ngắn mạch, chế độ làm việc ... của máy biến áp đó.

Trong quá trình sử dụng, nếu ta đặt máy biến áp hoạt động ở mức dưới các đại lượng định mức thì sẽ gây lãng phí khả năng làm việc của máy biến áp, còn nếu ta đặt trên các đại lượng định mức thì gây nguy hiểm, dễ gây hỏng máy biến áp.

1.3 Công dụng của máy biến áp:

Máy biến áp có vai trò quan trọng trong hệ thống điện, dùng để truyền tải và phân phối điện năng. Các nhà máy điện công suất lớn thường ở xa các trung tâm tiêu thụ điện (như khu công nghiệp, khu dân cư,...) vì thế cần phải xây dựng các đường dây truyền tải điện năng. Điện áp máy phát thường là 6,3kV; 10,5kV; 15,75kV; 38,5kV. Để nâng cao khả năng truyền tải và giảm tổn hao công suất trên đường dây, phải giảm dòng điện chạy trên đường dây bằng cách nâng cao điện áp. Vì vậy ở đầu đường dây cần đặt máy biến áp tăng áp. Mặt khác điện áp của tải thường khoảng 110 đến 500V, động cơ công suất lớn thường từ 3 đến 6kV, vì vậy ở cuối đường dây cần đặt máy biến áp hạ áp, như hình 4-2.

Hình 4.2

2. CẤU TẠO:

Máy biến áp có hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn.

a. Lõi thép:

Lõi thép máy biến áp dùng để dẫn từ thông chính của máy biến áp, được chế tạo từ những vật liệu dẫn từ tốt, thường là lá thép kỹ thuật điện. Lõi thép gồm hai bộ phận:

- Trụ: là nơi để đặt dây quấn.

- Gông: là phần khép kín mạch từ giữa các trụ.

Trụ và gông tạo thành mạch từ khép kín

Để giảm dòng điện xoáy trong lõi thép, người ta dùng thép lá kỹ thuật điện (dày khoảng 0,35mm đến 0,5mm, mặt ngoài có sơn cách điện) ghép lại với nhau thành lõi thép.

Các dạng lá thép kỹ thuật điện thường sử dụng có hình chữ U, E, I như hình vẽ:

b. Dây quấn máy biến áp:

Dây quấn máy biến áp thường được chế tạo bằng dây đồng ( hoặc nhôm), có tiết diện tròn hoặc hình chữ nhật, bên ngoài dây dẫn có bọc cách điện.

Dây quấn gồm nhiều vòng dây và được lồng vào trụ lõi thép. Giữa các vòng dây, giữa các dây quấn có cách điện với nhau và dây quấn có cách điện với lõi thép. Máy biến áp thường có hai hoặc nhiều dây quấn. Khi các dây quấn đặt trên cùng một trục thì thông thường dây quấn điện áp thấp được đặt sát trụ thép, các dây quấn khác đặt lồng ra bên ngoài, làm như vậy để giảm được vật liệu cách điện

Để làm mát và tăng cường cách điện cho máy biến áp, người ta thường đặt lõi thép và dây quấn trong một thùng dầu máy biến áp. Máy biến áp công suất lớn, vỏ thùng dầu có cánh tản nhiệt, ngoài ra còn có các đầu sứ để nối các đầu dây quấn ra ngoài, bộ phận chuyển mạch để điều chỉnh điện áp, rơle hơi để bảo vệ máy.

3. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC

Nguyên lý làm việc của máy biến áp dựa trên cơ sở của hiện tượng cảm ứng điện từ. Nếu đặt vào cuộn dây sơ cấp của máy biến áp một dòng điện xoay chiều với điện áp U1, dòng điện xoay chiều qua cuộn dây sẽ tạo ra trong mạch từ một từ thông Φ. Do mạch từ khép kín nên từ thông này móc vòng qua các cuộn dây của máy biến áp và sinh ra trong đó sức điện động.

Với cuộn sơ cấp là:

Với cuộn thứ cấp là:

Giả sử từ thông của máy biến áp biến đổi hình sin đối với thời gian:

Sau khi lấy đạo hàm và thay vào phương trình 5-3 ta được:

e1 = -ω.w1.Φmax.cosωt

vì cosωt = -sin(ωt - 900)

nên e1 = ω.w1.Φmaxsin(ωt - 900) (4-6)

Biểu thức này chỉ rõ sức điện động e1 chậm pha so với từ thông Φ một góc 900

Trị số cực đại của sức điện động E1max:

E1max = ω.w1.Φmax (4-7)

Chia E1max cho và thay ω=2πf, ta được biểu thức của sức điện động hiệu dụng sơ cấp:

Thực hiện thay thế, tính toán tương tự đối với phương trình 5-4 ta được biểu thức sức điện động hiệu dụng của cuộn thứ cấp như sau:

E2 = 4,44.f.w2. (4-9)

Khi máy biến áp không nối với tải, dòng điện trong cuộn thứ cấp I2 = 0, sức điện động sơ cấp thực tế gần bằng điện áp sơ cấp E1 ≈ U1 và sức điện động thứ cấp gần bằng điện áp thứ cấp E2 = U20 (U20 là điện áp thứ cấp không tải).

Tỷ số các sức điện động trong cuộn dây của máy biến áp một pha, tức là tỷ số điện áp của nó khi không có tải, được rút ra từ biểu thức 4-8 và 4-9, bằng tỷ số vòng dây của các cuộn dây.

Tỷ số này kí hiệu bằng chữ k và gọi là tỷ số biến áp:

- Nếu w1 > w2 suy ra k >1, U1>U2, máy biến áp hạ áp

- Nếu w1 < w2 suy ra k <1, U1<U2, máy biến áp tăng áp

Khi nối cuộn dây thứ cấp với tải, nếu bỏ qua tổn hao trong máy biến áp, có thể coi gần đúng quan hệ giữa các đại lượng sơ cấp và thứ cấp như sau:

U1I1 = U2I2

Hoặc:

Ví dụ 1: Một máy biến áp một pha có cuộn sơ cấp nối vào mạng điện 6600V, điện áp cuộn thứ cấp là 220V. Tính tỷ số biến áp:

Lời giải:

Ví dụ 2: Cuộn sơ cấp của một máy biến áp một pha được nối vào mạng điện 10kV, điện áp cuộn thứ cấp là 100V. Tính tỷ số biến áp và số vòng cuộn thứ cấp, nếu số vòng dây cuộn sơ cấp là 21000 vòng.

Lời giải:

Tỷ số biến áp:

Xác định số vòng dây theo phương trình:

Thay số vào ta có:

Hiệu suất của máy biến áp

Hiệu suất η của máy biến áp là tỷ số giữa công suất đầu ra P2 và công suất đầu vào P1:

Công thức tính hiệu suất:

Trong đó: P0: tổn hao không tải của máy biến áp

Pn: tổn hao ngắn mạch của máy biến áp

Sđm: công suất định mức của máy biến áp

là hệ số tải (4-16)

cosφ2 là hệ số công suất tải

Hiệu suất cực đại: η%max

Tính là hệ số tải ứng với hiệu suất cực đại.

Thay vào phương trình (4-15b) suy ra:

Từ giản đồ năng lượng ta thấy P2<P1 nên η% <100%

4. MÁY BIẾN ÁP BA PHA

Để thực hiện biến đổi điện áp trong hệ thống dòng điện ba pha, người ta có thể sử dụng ba máy biến áp một pha như hình 4-10a, hoặc dùng máy biến áp ba pha như hình 4-10b.

Về cấu tạo, lõi thép của máy biến áp ba pha gồm ba trụ như hình 4-10b. Dây quấn sơ cấp ký hiệu bằng chữ in hoa:

Pha A ký hiệu là A - X

Pha B là B - Y

Pha C là C - Z

Dây quấn thứ cấp ký hiệu bằng các chữ in thường: pha a là a - x, pha b là b-y, pha c là c-z

Dây quấn sơ cấp và thứ cấp có thể nối hình sao hoặc tam giác. Nếu sơ cấp nối hình sao, thứ cấp nối hình tam giác ta ký hiệu là Y/∆. Nếu sơ cấp nối hình sao, thứ cấp nối hình sao có dây trung tính thì ta ký hiệu là Y/Y0.

Gọi số vòng dây một pha sơ cấp là w1, số vòng dây một pha thứ cấp là w2. Tỷ số điện áp pha giữa sơ cấp và thứ cấp sẽ là:

Tỷ số điện áp dây không những phụ thuộc vào tỷ số số vòng dây mà còn phụ thuộc vào cách nối hình sao hay tam giác.

Khi nối ∆/Y (hình 4-11a), bên sơ cấp nối tam giác nên ta có Ud1 = Up1, thứ cấp nối hình sao ta có Ud2 = Up2. Vậy tỷ số điện áp dây là:

Khi nối ∆/∆ (hình 4-11b), sơ cấp có Ud1 = Up1 và thứ cấp có Ud2 = Up2 cho nên:

Khi nối Y/Y (hình 4-11c), sơ cấp có và thứ cấp có cho nên:

Khi nối Y/∆ (hình 4-11d), sơ cấp có và thứ cấp có cho nên:

Ở trên ta mới chú ý đến tỷ số điện áp dây, trong thực tế khi có nhiều máy biến áp làm việc song song với nhau, ta phải chú ý đến góc lệch pha giữa điện áp dây sơ cấp và điện áp dây thứ cấp. Vì thế khi ký hiệu tổ đấu dây của máy biến áp, ngoài ký hiệu đấu các dây quấn (hính sao hoặc tam giác), còn ghi thêm chữ số kèm theo để chỉ góc lệch pha giữa điện áp dây sơ cấp và thứ cấp.

Ví dụ như Y/Y-12:

Góc lệch pha giữa điện áp dây sơ cấp và thứ cấp là 12*300 = 3600

Y/∆-11: góc lệch pha là 11*300 = 3300

5. MÁY BIẾN ÁP LÀM VIỆC SONG SONG:

Trong hệ thống điện, trong các lưới điện, các máy biến áp thường làm việc song song với nhau. Nhờ làm việc song song, công suất lưới điện lớn rất nhiều so với công suất mỗi máy, đảm bảo nâng cao hiệu quả kinh tế của hệ thống và an toàn cung cấp điện, khi một máy hỏng hóc hoặc phải sửa chữa.

Điều kiện để cho các máy làm việc song song là:

a. Điện áp định mức sơ cấp và thứ cấp của mỗi máy phải bằng nhau tương ứng.

U1I = U1II

U2I = U2II

Nghĩa là kI = kII

Trong đó: kI là hệ số biến áp của máy I.

kII là hệ số biến áp của máy II.

Trong thực tế, cho phép hệ số biến áp k của các máy khác nhau không quá 0,5%.

b. Các máy phải có cùng tổ nối dây.

Ví dụ: không cho phép hai máy có tổ nối dây Y/∆ - 11 và Y/Y - 12 làm việc song song với nhau vì điện áp thứ cấp của hai máy này không trùng pha nhau.

Điều kiện 1 và 2 đảm bảo cho không có dòng điện cân bằng lớn chạy quẩn trong các máy do sự chênh lệch điện áp thứ cấp của chúng.

c. Điện áp ngắn mạch của các máy phải bằng nhau

UnI% = UnII% = ...

Trong đó: UnI% là điện áp ngắn mạch phần trăm cùa máy I.

UnII% là điện áp ngắn mạch phần trăm cùa máy II.

Cần đảm bảo điều kiện này, để tải phân bố trên các máy tỷ lệ với công suất định mức của chúng.

Nếu không đảm bảo điều kiện thứ 3, ví dụ UnI% < UnII% thì khi máy I nhận tải định mức, máy II còn non tải. Thật vậy ở trường hợp này, dòng điện máy I đạt định mức Iđm, điện áp rơi trong máy I là IIđm.ZnI, dòng điện máy II là III, điện áp rơi trên máy II là III.ZnII. Vì hai máy làm việc song song, điện áp rơi trong hai máy phải bằng nhau, ta có:

IIđm.ZnI = III.ZnII (4-28)

ZnI, ZnII là tổng trở ngắn mạch của máy I và II. Vì UnI% < UnII% do đó:

IIđm.ZnI < IIIđm.ZnII (4-29)

So sánh (4-28) với (4-29) ta có: III < IIIđm

Dòng điện máy II nhỏ hơn định mức, vậy máy II đang non tải, trong khi máy I đã định mức. Nếu máy II tải định mức thì máy I sẽ quá tải. Trong thực tế cho phép điện áp ngắn mạch của các máy sai khác nhau 10%.

Hệ số tải của mỗi máy khi làm việc song song βi:

Si là công suất của máy biến áp thứ i cung cấp cho tải.

Siđm là công suất định mức của máy biến áp thứ i

S là tổng công suất truyền tải của các máy.

Hình 4-12 giới thiệu sơ đồ hai máy biến áp ba pha làm việc song song.

Ví dụ 1: Cho một máy biến áp một pha với Sđm = 2,5KVA; U1đm = 220V; U2đm = 127V. Các số liệu thí nghiệm không tải như sau: U10 = 220V; I10 = 1,4A; P10 = 30W; Số liệu thí nghiệm ngắn mạch như sau: U1n = 8,8V; I1n = 11,35A; P1n = 80W

a. Lập sơ đồ thay thế và xác định giá trị các phần tử thay thế.

b. Máy biến áp được nối với tải có hệ số tải β=1, tải có tính chất cảm với cosφt=0,8. Xác định điện áp trên tải và hiệu suất của máy biến áp nếu phía sơ cấp nối với nguồn 220V.

c. Máy biến áp được nối với tải có β=0,5, tải có tính chất cảm với cosφt=0,8. Xác định điện áp trên tải và hiệu suất của máy biến áp nếu phía sơ cấp nối với nguồn 220V.

Lời giải:

a. Sơ đồ tương đương của máy biến áp như sau:

Theo thí nghiệm không tải, phía thứ cấp hở mạch. Lúc này, Rth>>R1 và Xth>>X1, ta có:

Tổng trở nhánh từ hóa:

Điện trở nhánh từ hóa:

Điện kháng nhánh từ hóa:

Theo thí nghiệm ngắn mạch (phía thứ cấp nối tắt), lúc này, Z2<<Zth do đó có thể bỏ qua nhánh từ hóa, ta có:

Tổng trở ngắn mạch:

Điện trở ngắn mạch:

Ta có R1 ≈ R'2 do đó: R1 = R'2 = Rn/2 = 0,31Ω

Điện kháng ngắn mạch:

Ta có X1 ≈ X'2 do đó: X1 = X'2 = Xn/2 = 0,23Ω

Ta có hệ số biến áp ≈ =1,73

Do đó, các thông số dây quấn thứ cấp khi chưa quy đổi sẽ như sau:

b. Khi hệ số tải β=1, hiệu suất máy biến áp:

Điện áp trên tải chính là điện áp thứ cấp máy biến áp. Độ biến thiên điện áp phía thứ cấp:

Với:

unr% = Un%.cosφn

unx% = Un%.sinφn

unr% = 4%; unx% = 2,4%

Do đó ∆U% = 4% . ∆U2 = 4%.127 = 5,1V

U2 = U2đm - ∆U2 = 127 - 5,1 = 121,9V

c. Khi hệ số tải β = 0,5; cosφt= 0,8; hiệu suất máy biến áp:

Điện áp trên tải chính là điện áp thứ cấp máy biến áp. Độ biến thiên điện áp phía thứ cấp:

Với: unr% = 4%; unx% = 2,4%

Do đó ∆U% = 2% . ∆U2 = 2%.127 = 2,55V

U2 = U2đm - ∆U2 = 127 - 2,25 = 124,45V