Máy điện - Máy biến áp - Nguyên lý và cấu tạo

- PHẦN 1 – MÁY BIẾN ÁP CHƯƠNG 1 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 1.
- Dòng điện truyền tải và tổn hao công suất trên đường dây: 2 P P I.
- cos  U cos2  CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP Cùng một công suất truyền tải trên đường dây, nếu điện áp truyền tải cao → dòng điện chạy trên đường dây nhỏ, do đó trọng lượng và chi phí dây dẫn sẽ giảm xuống, đồng thời tổn hao năng lượng trên đường dây sẽ giảm.
- 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 kV.
- Thực tế các máy phát điện chỉ phát ra điện áp 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.
- CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP Thiết bị dùng để tăng điện áp ở đầu đường dây và giảm điện áp cuối đường dây gọi là máy biến áp (MBA).
- 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 này thành một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp khác, với tần số không thay đổi CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 1.3.
- MBA đo lường dùng để giảm các điện áp và dòng điện lớn đưa vào các dụng cụ đo tiêu chuẩn.
- MBA thí nghiệm dùng để thí nghiệm điện áp cao.
- CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 2.
- NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP LÝ TƯỞNG Máy biến áp lý tưởng có các tính chất như sau : 1.
- 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.
- 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.
- CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 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, CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP Đặt điện áp xoay chiều u1 vào dây quấn sơ cấp → có dòng i1 → từ thông Φ trong lõi thép móc vòng với cả hai dây quấn, cảm ứng các sđđ e1 và e2.
- Khi MBA có tải, dây quấn thứ cấp có dòng i2 ra tải với điện áp là u2.
- Từ thông Φ móc vòng với cả hai dây quấn gọi là từ thông chính.
- Giả sử điện áp u1 sin nên từ thông Φ cũng biến thiên sin, ta có.
- m sin t Theo định luật cảm ứng điện từ, các sđđ cảm ứng e 1, e2 sinh ra trong dây quấn sơ cấp và thứ cấp MBA: d e1.
- N 2  N 2 m sin( t  90o ) dt CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP Với E1, E2 là trị số hiệu dụng của sđđ sơ cấp và thứ cấp, E1  2f .N1 m E 2  2f .N2 m Tỉ số biến áp k của MBA: E1 N1 k.
- E2 N2 Nếu giả thiết MBA lý tưởng, nghĩa là bỏ qua sụt áp gây ra do điện trở và từ thông tản của dây quấn thì E1 ≈ U1 và E2 ≈ U2 : U1 E1 N1.
- k U2 E2 N2 CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP Nếu bỏ 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 giảm áp CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 3.
- CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 3.1.
- Lõi thép gồm hai phần: Trụ và Gông .
- Trụ (T) là phần để đặt dây quấn còn gông (G) là phần nối liền giữa các trụ để tạo thành mạch từ kín CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 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 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 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.
- CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP Dây quấn MBA có hai loại 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 cả dây quấn hạ áp và cao áp.
- Dây quấn hình xoắn, dùng cho dây quấn hạ áp có nhiều sợi chập.
- Dây quấn hình xoáy ốc liên tục, dùng cho dây quấn cao áp, tiết diện dây dẫn chữ nhật.
- Dây quấn xem kẽ: Các bánh dây cao áp và hạ áp lần lượt xen kẽ nhau dọc theo trụ thép CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 3.3.
- Vỏ 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 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 CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN 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 hạ áp.
- Bộ truyền động cầu dao đổi nối các đầu điều chỉnh điện áp của dây quấn cao áp.
- CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 4.
- 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.
- 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 = U1đm.
- 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.
- Ngoài ra trên nhãn MBA còn ghi các số liệu khác: tần số, số pha m, sơ đồ và tổ nối dây CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 5.
- TỔ NỐI DÂY MÁY BIẾN ÁP 5.1.
- 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, nếu không điện áp ra của ba pha sẽ không đối xứng.
- 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 : CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP Đánh dấu các đầu dây tận cùng: Cao áp Hạ áp Trung áp Đầu đầu A,B,C a,b,c Am,Bm,Cm Đầu cuối X,Y,Z x.y,z Xm,Ym,Zm Trung tính O o Om CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 5.2.
- Các kiểu đấu dây quấn Đấu hình sao (Y.
- Đấu điểm đầu của pha này với điểm cuối của pha kia CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 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.
- Kiểu dây quấn này ít dùng vì tốn đồng nhiều hơn, loại này chủ yếu gặp trong mba dùng cho thiết chỉnh lưu.
- CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 5.3.
- 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.
- Kiểu dấu dây quấn sơ cấp và thứ cấp CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP Xét mba một pha có hai dây quấn: sơ cấp – AX.
- thứ cấp – ax.
- Các trường hợp xảy 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 nối dây của mba một pha : kể từ vector sđđ sơ cấp đến vector sđđ thứ cấp theo chiều kim đồng hồ.
- CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 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.
- Thực tế không dùng độ để chỉ góc lệch pha mà dùng kim đồng hồ 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.
- 12 ứng 30o,60o,..,360o chỉ sđđ thứ cấp CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP Máy biến áp ba pha nối Y/Y: Ví dụ: mba ba pha có dây quấn sơ cấp và thứ cấp nối 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.
- CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN 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.
- CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP Mba ba pha nối Y/Δ : Ví dụ: mba ba pha có dây quấn sơ cấp nối sao và thứ cấp nối 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.
- CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN 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.
- CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 6.
- MẠCH TỪ MÁY BIẾN ÁP 6.1.
- Các dạng mạch từ máy biến áp Máy biến áp một pha + Mạch từ kiểu lõi + Mạch từ kiểu bọc Máy biến áp ba pha + Hệ thống mạch từ riêng: Từ thông ba pha độc lập (thường gặp tổ mba ba pha từ ba mba một pha giống nhau.
- Hệ thống mạch từ chung: Từ thông ba pha liên quan nhau (mba ba pha ba trụ) CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP Hệ thống mạch từ chung.
- B  C  0 Như vậy các trụ ghép chung có từ thông tổng bằng không, nên bỏ trụ ghép chung và đưa ba trụ về cùng mặt phẳng → 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 IOB CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 6.2.
- Những hiện tượng xuất hiện khi từ hóa lõi thép MBA Xét trường hợp MBA không tải a.
- Mba một pha Điện áp u có dạng: u  Um sin t Bỏ qua điện áp rơi trên dây quấn: d u  e  N dt Từ thông trong lõi thép có dạng.
- 2) CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP Không xét tổn hao trong lõi thép: Dòng io ≈ iox, nghĩa là dòng từ hóa gần bằng dòng phản kháng.
- Từ thông Φ(t) có dạng hình sin + Dòng điện io(t) có dạng nhọn dầu (không sin.
- Như vậy chính dòng điện bậc ba i o3 làm dòng io có dạng nhọn đầu.
- Thực chất dòng i o có dạng nhọn đầu là do hiện tượng bão hòa trong lõi thép CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP Có kể 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 F = f(io) và F = f(t) ta dùng phương pháp vẽ để tìm được quan hệ io = f(t) CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP Hình bên biểu diễn vectơ dòng điện I0 và từ thông Φm khi có kể đến tổn hao trong lõi thép.
- Dòng điện không tải I0 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.
- CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP b.
- Mba ba pha Khi mba không tải 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.
- CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP Trường hợp mba nối Y/Y Sơ cấp đấu Y nên dòng i0.3 không tồn tại, dòng i0 sẽ có dạng sin và từ thông Φ do nó sinh ra sẽ có dạng vạt đầu.
- Phân tích từ thông Φ trong lõi thép thành sóng cơ bản và sóng bậc cao.
- CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP Trường hợp tổ mba ba pha (Mba ba pha 5 trụ): Loại này mạch từ riêng, nên Φ3 tồn tại và khép mạch qua lõi thép, do vậy Φ3 tương đối lớn, sđđ e3 do từ thông này sinh ra cũng lớn (E3f E1f) làm cho sđđ pha tăng.
- Chọc thủng cách điện dây quấn + Hư thiết bị đo lường.
- Ảnh hưởng đường dây thông tin CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP Mba ba pha ba trụ Hệ thống mạch từ chung, nên Φ3 cùng chiều.
- 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 có dạng sin.
- CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 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.
- CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP Trường hợp mba nối Y/Δ Dây quấn sơ cấp đấu Y nên dòng i o3 không tồn tại, dòng i o sẽ có dạng sin và từ thông Φ do nó sinh ra sẽ có dạng vạt đầu.
- Thành phần từ thông bậc ba Φ3 cảm ứng trong dây quấn thứ cấp sđđ e23, do dây quấn thứ cấp nối Δ nên sinh ra dòng i 23 chạy 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 ảnh hưởng này không đáng kể