PH N 1 – MÁY BI N ÁP CH ƠNG 1 NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP 1. KHÁI NI M CHUNG V M.B.A 1.1. Vai trò và công d ng. Để dẫn điện từ nhà máy phát điện đến hộ tiêu thụ cần ph i có đư ng dây t i điện. Nếu kho ng cách từ nơi s n xuất điện đến hộ tiêu thụ lớn, một vấn đề đặt ra là việc truyền t i điện năng đi xa làm sao cho kinh tế nhất. Dòng điện truyền t i và tổn hao công suất trên đư ng dây: 2 P P I ; P  R d I2  R d 2 U. cos  U cos2  CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP Cùng một công suất truyền t i trên đư ng dây, nếu điện áp truyền t i cao → dòng điện ch y trên đư ng dây nh , do đó trọng lượng và chi phí dây dẫn sẽ gi m xu ng, đồng th i tổn hao năng lượng trên đư ng dây sẽ gi m. Vì thế, mu n truyền t i công suất lớn đi xa ít tổn hao và tiết kiệm kim lo i màu ngư i ta ph i dùng điện áp cao, thư ng là 35, 110, 220, 500kV. Thực tế các máy phát điện chỉ phát ra điện áp 3 ÷ 21kV, do đó ph i có thiết bị tăng điện áp đầu đư ng dây. Mặt khác các hộ tiêu thụ thư ng yêu cầu điện áp thấp, từ 0.4 ÷ 6kV, vì vậy cu i đư ng dây ph i có thiết bị gi m điện áp xu ng. CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP Thiết bị dùng để tăng điện áp đầu đư ng dây và gi m điện áp cu i đư ng dây gọi là máy biến áp (MBA). 1.2. Đ nh nghĩa Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh, làm việc theo nguyên lý c m ứng điện từ, dùng để biến đổi một hệ th ng dòng điện xoay chiều điện áp này thành một hệ th ng dòng điện xoay chiều điện áp khác, với tần s không thay đổi CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP 1.3. Phân lo i 1. MBA điện lực để truyền t i và phân ph i công suất trong hệ th ng điện lực. 2. MBA chuyên dùng sử dụng MBA hàn ... lò luyện kim, các thiết bị chỉnh lưu, 3. MBA tự ngẫu dùng để liên l c trong hệ th ng điện, m máy động cơ không đồng bộ công suất lớn. 4. MBA đo lư ng dùng để gi m 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. CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP 2. NGUYÊN Lụ LÀM VI C C A MÁY BI N ÁP Lụ T ỞNG Máy biến áp lý tư ng có các tính chất như sau : 1. Cuộn dây không có điện tr . 2. Từ thông ch y trong lõi thép móc vòng với hai dây quấn, không có từ thông t n và không có tổn hao trong lõi thép. 3. Độ từ thẩm của thép rất lớn (µ = ∞), như vậy dòng từ hoá cần ph i có để sinh ra từ thông trong lõi thép là rất nh không đáng kể, do vậy stđ cần để sinh ra từ thông trong lõi thép cho bằng không. CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP Sơ đồ nguyên lý của MBA một pha hai dây quấn Dây quấn 1 có N1 vòng dây được n i với nguồn điện áp xoay chiều u1, gọi là dây quấn sơ cấp. Ký hiệu các đ i lượng phía dây quấn sơ cấp đều có con s 1 kèm theo như u1, i1, e1, Dây quấn 2 có N2 vòng dây cung cấp điện cho phụ t i Zt, gọi là dây quấn thứ cấp. Ký hiệu các đ i lượng phía dây quấn thứ cấp đều có con s 2 kèm theo như u2, i2 , e2, CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP Đặt điện áp xoay chiều u1 vào dây quấn sơ cấp → có dòng i1 → từ thông Φ trong lõi thép móc vòng với c hai dây quấn, c m ứng các sđđ e1 và e2. Khi MBA có t i, dây quấn thứ cấp có dòng i2 ra t i với điện áp là u2. Từ thông Φ móc vòng với c hai dây quấn gọi là từ thông chính. Gi sử điện áp u1 sin nên từ thông Φ cũng biến thiên sin, ta có:   m sin t Theo định luật c m ứng điện từ, các sđđ c m ứng e 1, e2 sinh ra trong dây quấn sơ cấp và thứ cấp MBA: d  N1 m sin( t  90o ) dt d e2   N 2  N 2 m sin( t  90o ) dt e1   N1 CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP Với E1, E2 là trị s hiệu dụng của sđđ sơ cấp và thứ cấp, E1  2f .N1 m E 2  2f .N2 m Tỉ s biến áp k của MBA: E1 N1 k  E2 N2 Nếu gi thiết MBA lý tư ng, nghĩa là b qua sụt áp gây ra do điện tr và từ thông t n của dây quấn thì E1 ả U1 và E2 ả U2 : U1 E1 N1   k U2 E2 N2 CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP Nếu b qua tổn hao trong MBA: U1I1  U2I2 Như vậy: U1 I 2  k U 2 I1 Nếu N2 > N1 thì U2 > U1 và I2 < I1 : MBA tăng áp. Nếu N2 < N1 thì U2 < U1 và I2 > I1 : MBA gi m áp CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP 3. C U T O MÁY BI N ÁP 3.1. Lõi thép MBA Lõi thép MBA dùng để dẫn từ thông, được chế t o bằng các vật liệu dẫn từ t t, thư ng là thép kỹ thuật điện có bề dày từ 0,35 ÷ 1 mm, mặt ngoài các lá thép có sơn cách điện rồi ghép l i với nhau thành lõi thép. Lõi thép gồm hai phần: Trụ và Gông . Trụ (T) là phần để đặt dây quấn còn gông (G) là phần n i liền giữa các trụ để t o thành m ch từ kín CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP 3.2. Dây qu n MBA Nhiệm vụ của dây quấn MBA là nhận năng lượng vào và truyền năng lượng ra. Dây quấn MBA thư ng làm bằng dây đồng hoặc nhôm, tiết diện tròn hay chữ nhật, bên ngoài 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 với lõi ép đều có cách điện. Máy biến áp thư ng 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 gi m được vật liệu cách điện. CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP Dây quấn MBA có hai lo i chính: Dây quấn đồng tâm: có tiết diện ngang là những vòng tròn đồng tâm. Những kiểu dây quấn đồng tâm chính gồm : + Dây quấn hình trụ, dùng cho c dây quấn h áp và cao áp; + Dây quấn hình xoắn, dùng cho dây quấn h áp có nhiều sợi chập; + Dây quấn hình xoáy c liên tục, dùng cho dây quấn cao áp, tiết diện dây dẫn chữ nhật. Dây quấn xem kẽ: Các bánh dây cao áp và h áp lần lượt xen kẽ nhau dọc theo trụ thép CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP 3.3. V MBA Thùng MBA: Trong thùng MBA (hình 1-5) đặt lõi thép, dây quấn và dầu biến áp. Dầu biến áp làm nhiệm vụ tăng cư ng cách điện và t n nhiệt. Lúc MBA làm việc, một phần năng lượng tiêu hao thoát ra dưới d ng nhiệt làm dây quấn, lõi thép và các bộ phận khác nóng lên. Nh sự đ i lưu trong dầu và truyền nhiệt từ các bộ phận bên trong MBA sang dầu và từ dầu qua vách thùng ra môi trư ng xung quanh CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP Nắp thùng MBA : Dùng để đậy trên thùng và trên đó có các bộ phận quan trọng như: + Sứ ra (cách điện) của dây quấn cao áp và dây quấn h áp. + Bình dãn dầu (bình dầu phụ) có ng thủy tinh để xem mức dầu + ng b o hiểm : làm bằng thép, hình trụ nghiêng, một đầu n i với thùng, một đầu bịt bằng một đĩa thuỷ tinh. Nếu áp suất trong thùng tăng lên đột ngột, đĩa thuỷ tinh sẽ vỡ, dầu theo đó thoát ra ngoài để MBA không bị h ng. + Lỗ nh đặt nhiệt kế. + Rơle hơi dùng để b o vệ MBA. + Bộ truyền động cầu dao đổi n i các đầu điều chỉnh điện áp của dây quấn cao áp. CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP 4. CÁC Đ I L ƠNG Đ NH M C C A MBA Các đ i lượng định mức qui định điều kiện kỹ thuật của máy do nhà máy chế t o 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 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 t i và điện áp đặt vào dây quấn sơ là định mức U1 = U1đm. CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP 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 định mức. Đ i với MBA một pha: Sđm Sđm I1đm  ; I2đm  U1đm U 2đm Đ i với MBA ba pha: Sđm Sđm I1đm  ; I2đm  3U1đm 3U 2đm 5. Tần s định mức fđm(Hz), MBA điện lực có tần s công nghiệp 50Hz. Ngoài ra trên nhãn MBA còn ghi các s liệu khác: tần s , s pha m, sơ đồ và tổ n i dây CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP 5. T N I DÂY MÁY BI N ÁP 5.1. Cách kỦ hi u các đ u dây Một cuộn dây có hai đầu tận cùng: một đầu gọi là đ u đ u; còn đầu kia gọi là đ u cu i. Đ i với dây quấn mba một pha: đầu đầu hoặc đầu cu i chọn tùy ý. Đ i với dây quấn mba ba pha : các đầu đầu và đầu cu i chọn một cách th ng nhất theo một chiều nhất định, nếu không điện áp ra của ba pha sẽ không đ i xứng. Để đơn gi n và thuận tiện cho việc nghiên cứu, ngư i ta thư ng đánh dấu các đầu tận cùng lên sơ đồ dây quấn của mba với qui ước sau dây : CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP Đánh dấu các đầu dây tận cùng: Cao áp H áp Trung áp Đầu đầu A,B,C a,b,c Am,Bm,Cm Đầu cu i X,Y,Z x.y,z Xm,Ym,Zm Trung tính O o Om CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP 5.2. Các kiểu đ u dây qu n Đấu hình sao (Y) : Đấu ba điểm cu i X,Y,Z l i với nhau Đấu hình tam giác (Δ) : Đấu điểm đầu của pha này với điểm cu i của pha kia CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP Đấu zíc-zắc (Z) : Mỗi pha dây quấn mba gồm hai nửa cuộn dây trên hai trụ khác nhau mắc n i tiếp và đấu ngược chiều nhau. Kiểu dây quấn này ít dùng vì t n đồng nhiều hơn, lo i này chủ yếu gặp trong mba dùng cho thiết chỉnh lưu. CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP 5.3. T n i dây c a mba Tổ n i dây mba được hình thành do sự ph i 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 t sau : + Chiều quấn dây, + Cách ký hiệu các dầu dây ra, + Kiểu dấu dây quấn sơ cấp và thứ cấp CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP Xét mba một pha có hai dây quấn: sơ cấp – AX; thứ cấp – ax. Các trư ng hợp x y ra như sau : a) Hai dây quấn cùng chiều và kí hiệu tương ứng b) Hai dây quấn ngược chiều c) Đổi chiều kí hiệu một trong hai dây quấn. Tổ n i dây của mba một pha : kể từ vector sđđ sơ cấp đến vector sđđ thứ cấp theo chiều kim đồng hồ. CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP Tổ n i dây của mba ba pha : mba ba pha, do n i 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 để biểu thị và gọi tên tổ n i dây mba, cách biểu thị như sau + Kim dài c định con s 12, chỉ sđđ sơ cấp. + Kim ngắn chỉ 1,2,.., 12 ứng 30o,60o,..,360o chỉ sđđ thứ cấp CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP Máy biến áp ba pha n i Y/Y: Ví dụ: mba ba pha có dây quấn sơ cấp và thứ cấp n i sao, cùng chiều quấn dây và cùng ký hiệu đầu dây thì vector sđđ pha giữa hai dây quấn hoàn toàn trùng nhau, góc lệch pha giữa hai điện áp dây sẽ bằng 360o hay 0o. Mba thuộc tổ n i dây 12 và ký hiệu là Y/Y-12 hay Y/Y-0. CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP 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 n i Y/Y, ta có tổ n i dây là s chẵn. CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP Mba ba pha n i Y/Δ : Ví dụ: mba ba pha có dây quấn sơ cấp n i sao và thứ cấp n i tam giác, cùng chiều quấn dây và ký hiệu các đầu dây thì vector sđđ pha giữa hai dây quấn hoàn toàn trùng nhau và góc lệch pha giữa hai điện áp dây sẽ bằng 330o. Mba thuộc tổ n i dây 11 và ký hiệu là Y/Δ-11. CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP Để nguyên dây quấn sơ cấp, 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 n i Y/Δ, ta có tổ n i dây là s lẻ. CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP 6. M CH T MÁY BI N ÁP 6.1. Các d ng m ch t máy bi n áp Máy biến áp một pha + M ch từ kiểu lõi + M ch từ kiểu bọc Máy biến áp ba pha + Hệ th ng m ch từ riêng: Từ thông ba pha độc lập (thư ng gặp tổ mba ba pha từ ba mba một pha gi ng nhau). + Hệ th ng m ch từ chung: Từ thông ba pha liên quan nhau (mba ba pha ba trụ) CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP Hệ th ng m ch từ chung:    U A  U B  UC  0      A   B  C  0 Như vậy các trụ ghép chung có từ thông tổng bằng không, nên b trụ ghép chung và đưa ba trụ về cùng mặt phẳng → kết cấu lõi thép mba không đ i xứng, trụ giữa ngắn hơn hai trụ hai bên nên dòng từ hóa của ba pha cũng không đ i xứng IOA  IOC  (1,2  1,45)IOB CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP 6.2. Những hi n t ợng xu t hi n khi t hóa lõi thép MBA Xét trư ng hợp MBA không t i a. Mba một pha Điện áp u có d ng: u  Um sin t d u  e  N dt B qua điện áp rơi trên dây quấn: Từ thông trong lõi thép có d ng:   m sin(t   / 2) CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP Không xét tổn hao trong lõi thép: Dòng io ả iox, nghĩa là dòng từ hóa gần bằng dòng ph n 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 thông Φ(t) có d ng hình sin + Dòng điện io(t) có d ng nhọn dầu (không sin) + Φ(t) và io(t) trùng pha nhau CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP Dòng io(t) không sin, ta phân tích thành tổng sóng hình sin: i0 (t )  i01  i03  i05  i07  ... + io1 – sóng cơ b n (sóng bậc 1) + io3,5,7.. – các sóng bậc cao. Sóng bậc 5 tr lên có biên độ nh , ta b qua. Như vậy chính dòng điện bậc ba i o3 làm dòng io có d ng nhọn đầu. Thực chất dòng i o có d ng nhọn đầu là do hiện tượng bão hòa trong lõi thép CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP Có kể đến tổn hao trong lõi thép Quan hệ Φ = f(io) cũng chính là quan hệ đư ng cong từ trễ B = f(H). Từ quan hệ F = f(io) và F = f(t) ta dùng phương pháp vẽ để tìm được quan hệ io = f(t) CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP Hình bên biểu diễn vectơ dòng điện I0 và từ thông Φm khi có kể đến tổn hao trong lõi thép. Vì dòng điện i0 không sin nên chỉ vẽ gần đúng với thành phần bậc 1. Dòng điện không t i I0 gồm hai thành phần: + Iox : thành phần dòng điện ph n kháng để từ hóa lõi thép. + Ior : thành phần dòng điện tác dụng, vuông góc với Φ. I0  I02r  I02x Thực tế I0r < 10%I0 , nghĩa là góc α thư ng rất bé, nên dòng điện I 0r không nh hư ng mấy đến dòng điện từ hoá và ta coi như I 0x ả I0 . CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP b. Mba ba pha Khi mba không t i và xét từng pha thì dòng điện bậc ba trong các pha: I0.3A  I0.3m sin 3t I0.3B  I0.3m sin 3(t  120o )  I0.3m sin 3t I0.3C  I0.3m sin 3(t  240o )  I0.3m sin 3t Từ các phương trình trên ta thấy, ba pha trùng nhau về th i gian, nghĩa là mọi th i điểm chiều dòng điện bậc ba trong các pha hoặc hướng từ đầu đến cu i hoặc hướng từ cu i đến đầu, tức là luôn luôn tồn t i. CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP Trường hợp mba nối Y/Y Sơ cấp đấu Y nên dòng i0.3 không tồn t i, dòng i0 sẽ có d ng sin và từ thông Φ do nó sinh ra sẽ có d ng v t đầu. Phân tích từ thông Φ trong lõi thép thành sóng cơ b n và sóng bậc cao:   1  3  5  ... Các sóng Φ5,7.. nh , nên có thể b qua, chỉ xét Φ1 và Φ3. CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP Trư ng hợp tổ mba ba pha (Mba ba pha 5 trụ): Lo i này m ch từ riêng, nên Φ3 tồn t i và khép m ch qua lõi thép, do vậy Φ3 tương đ i lớn, sđđ e3 do từ thông này sinh ra cũng lớn (E3f = (45-60)% E1f) làm cho sđđ pha tăng. Còn sđđ Ud không có thành phần e3. H i: + Chọc thủng cách điện dây quấn + Hư thiết bị đo lư ng. + nh hư ng đư ng dây thông tin CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP Mba ba pha ba trụ Hệ th ng m ch từ chung, nên Φ3 cùng chiều. mọi th i điểm từ thông Φ3 không khép m ch qua m ch từ trụ mà bị đẩy ra ngoài, và khép m ch qua môi trư ng có từ tr lớn, nên Φ3 không lớn lắm, như vậy xem từ thông trong m ch từ là sin, và sđđ c m ứng ra Ef sẽ có d ng sin. Chú ý : Φ3 khép m ch qua gông và vách thùng làm tăng tổn hao nên hiệu suất của máy gi m. CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP Trường hợp mba nối Δ/Y Dây quấn sơ cấp n i Δ nên dòng io3 sẽ khép kín trong tam giác, vì vậy dòng io sẽ có d ng nhọn đầu. Gi ng mba một pha. CH ƠNG 1: NGUYÊN Lụ C U T O MÁY BI N ÁP Trường hợp mba nối Y/Δ Dây quấn sơ cấp đấu Y nên dòng i o3 không tồn t i, dòng i o sẽ có d ng sin và từ thông Φ do nó sinh ra sẽ có d ng v t đầu. Kết luận gi ng trư ng hợp a. Thành phần từ thông bậc ba Φ3 c m ứng trong dây quấn thứ cấp sđđ e23, do dây quấn thứ cấp n i Δ nên sinh ra dòng i 23 ch y trong dây quấn, dòng điện nầy sinh ra trong lõi thép từ thông Φ23 và ta có từ thông tổng bậc ba gần bằng không, nên nh hư ng này không đáng kể