MÁY BIẾN ÁP 3.1 CHUẨN ĐẦU RA - Trình bày kết cấu, nguyên lý làm việc, thông số định mức máy biến áp pha ba pha - Thiết lập hệ phương trình tính tốn máy biến áp - Tính thơng số kỹ thuật máy biến áp qua thí nghiệm khơng tải, có tải làm việc song song - Phân tích q trình biến đổi lượng, tính công suất, hiệu suất, mô men điện từ máy biến áp 3.2 TÓM TẮT LÝ THUYẾT 3.2.1.KẾT CẤU, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC, THÔNG SỐ ĐỊNH MỨC CỦA MÁY BIẾN ÁP 3.2.1.1 Kết cấu a.Lõi thép Hình 3.1 Lõi thép máy biến áp - Nhiệm vụ: dùng làm mạch dẫn từ, đồng thời làm khung để quấn dây quấn - Vật liệu: thép kỹ thuật điện dày 0,35 ÷ 0,5 mm bề mặt sơn cách điện để giảm tổn hao dòng điện xốy b.Dây quấn - Nhiệm vụ: phận dẫn điện máy biến áp, làm nhiệm vụ thu lượng vào truyền lượng - Vật liệu: Cu Al có bọc cách điện - Hình dạng: + Dây quấn đồng tâm: hình trụ, hình xoắn, hình xốy ốc liên tục + Dây quấn xen kẽ c Các chi tiết khác - Thùng máy: + Ngăn vật bên (máy biến áp khô) + Chứa dầu (máy biến áp dầu) - Bình giãn dầu - Ống bảo hiểm 3.2.1.2 Nguyên lý làm việc Hình 3.2 Nguyên lý làm việc máy biến áp Xét máy biến áp hai dây quấn: Cuộn sơ cấp có số vòng dây w1 Cuộn thứ cấp có số vòng dây w2 Khi đặt điện áp xoay chiều u1 vào cuộn sơ cấp sinh dòng điện i1 Dòng điện i1 tạo nên lõi thép từ thơng $ móc vòng với hai dây quấn sơ cấp thứ cấp cảm ứng hai dây quấn sức điện động e1 e2 Dây quấn thứ cấp có sức điện động sinh dòng điện i2 đưa tải với điện áp u2 Khi điện áp đặt vào cuộn sơ cấp có dạng hình sin từ thơng sinh có dạng hình sin: = (3.1) msinmt Với: m = Bmas S: Từ thông cực đại, [Wb] Bmas: Từ cảm cực đại, [T] S: Tiết điện ngang, [m2] Trị số hiệu dụng sức điện động cảm ứng dây quấn sơ cấp thứ cấp: E1 = 4,44ƒw1$m (3.2) E2 = 4,44ƒw2$m (3.3) Tỷ số biến áp máy biến áp pha: E1 w K = = E2 w (3.4) U1 ≈ I2 U2 = I1 3.2.1.3 Thông số định mức - Sđm: Dung lượng hay công suất định mức, [kVA] - U1đm: Điện áp dây sơ cấp định mức, [kV] - U2đm: Điện áp dây thứ cấp định mức, [kV] - I1đm: Dòng điện dây sơ cấp định mức, [A] - I2đm: Dòng điện dây thứ cấp định mức, [kV] - ƒđm: Tần số định mức, [Hz] - 5đm: Hiệu suất định mức - cos߮đm: Hệ số công suất định mức - Un: Điện áp ngắn mạch - Unr: Thành phần tác dụng điện áp ngắn mạch - Uns: Thành phần phản kháng điện áp ngắn mạch 3.2.2 QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MÁY BIẾN ÁP 3.2.2.1 Các phương trình máy biến áp - Dòng điện định mức sơ cấp thứ cấp máy biến áp: + Đối với máy biến áp pha: Sđm I1đm = U1đm Sđm I2đm = U2đm + Đối với máy biến áp ba pha: Sđm I1đm = √3U1đm Sđm I2đm = √3U2đm - Phương trình cân sức điện động: { (3.5) (3.6) (3.7) U̇2 = Ė2 − I2Z2 U̇1 = −Ė1 + I1̇ Z1 T r o n g đ ó : Z1 = r1 + x1, Z2 = r2 + x2: tổng trở dây quấn sơ thứ cấp r1, r2: điện trở cuộn sơ thứ cấp x1, x2: điện kháng cuộn sơ thứ cấp - Phương trình cân sức từ động: r I1 = I0 − I2 3.2.2.2 Quy đổi máy biến áp (3.8) - Sức điện động điện áp thứ cấp quy đổi: E r = K E ( ) U r = K U ( ) - Dòng điện thứ cấp quy đổi: r I = K I2 (3.1 1) - Điện trở, điện kháng, tổng trở thứ cấp quy đổi: rr = K r2 (3.12) xr = K 2 x2 (3.13) Zr = K - Các phương trình quy đổi: (r2 + jx2)2 (3.14) U̇1 = −Ė1 +{I1̇ = E I r r r r Z1 (3.15) I1 = I0̇ − I2ṙ 3.2.2.3 Thí nghiệm khơng tải Hình 3.3 a) Sơ đồ thí nghiệm khơng tải máy biến áp pha b) Mạch điện thay máy biến áp lúc không tải - không tải: Z0 = U1đ (3.16) m I10 r P0 = ( ) 10 2 x0 = JZ0 − r0 U (3.18) - Hệ số công suất tỷ số biến đổi lúc không tải: P0 (3.19) cos I 1đm w K0 = w1 U = (3.20) đ m U - Các phương trình quy đổi không tải: (3.21) = Ė r { U̇20 r I1 = I0 3.2.2.4 Thí nghiệm ngắn mạch (3 23 Hình 3.4 a) Sơ đồ thí nghiệm ) ngắn mạch máy biến áp pha b) Mạch điện thay máy biến áp lúc ngắn mạch - Tổng trở, điện trở, điện kháng lúc ngắn mạch: U1n (3.22) Zn = hay Zn I 1đm = Z Pn + Zr n = h a y r n I (3.24) x r x r r r r U1 = 0,2 K = = 400 U2 200 Tổng trở tải quy sơ cấp: Zr = Kt Zt = 0,22 × = 4∠36,87o W 100∠36,87o Bài 8: Cho máy biến áp pha lý tưởng (khơng bị sụt áp, khơng tổn hao, dòng điện khơng tải khơng) có tỷ số vòng dây 180:45 Điện trở sơ thứ cấp 0,242Ω 0,076Ω Tính điện trở tương đương quy sơ cấp GIẢI: Theo cơng thức (3.4) ta có hệ số biến đổi máy biến áp: N1 K = = 180= N2 45 Theo công thức (3.13) ta có điện trở thứ cấp quy đổi sơ cấp: r2r = K2r2 = 42 × 0,076 = 1,216W Điện trở tương đương: r Rtđ = r1 + r2 = 0,242 + 1,216 = 1,458W Bài 9: Cho máy biến áp pha lý tưởng (không bị sụt áp, không tổn hao, dòng điện khơng tải khơng) có số vòng dây 220: 500 Phía sơ cấp đấu vào nguồn điện áp 220V, phía thứ cấp cung cấp cho tải 10kVA Hãy tính: a Điện áp tải b Dòng điện thứ cấp sơ cấp c Tổng trở tương đương máy nhìn từ nguồn GIẢI: a Tính điện áp tải Theo cơng thức (3.4) ta có hệ số biến đổi máy biến áp: N1 = 0,44 K = = 22 N2 50 Từ công thức (3.4) suy điện áp tải: U1 220 U2 = = K = 500V 0,44 b Tính dòng điện sơ cấp thứ cấp Theo công thức (3.5) ta có dòng điện thứ cấp: I2 = S U2 = 10 × 103 500 Từ cơng thức (3.4) suy dòng điện sơ cấp: I2 20 = 20A I1 = = = 45,454A K 0,44 c Tính tổng trở tương đương nhìn từ nguồn U1 = 4,84Ω z = = 20 I1 45,45 Bài 10: Máy biến áp pha lý tưởng có điện áp U1/U2 = 7200/240V, máy biến áp vận hành tăng áp nối vào lưới điện có điện áp 220V, f = 60Hz, thứ cấp nối với phụ tải có tổng trở 144∠46oΩ Hãy xác định: a Điện áp, dòng điện thứ cấp sơ cấp b Tổng trở tải quy đổi dây quấn sơ cấp c Công suất tác dụng, phản kháng biểu kiến phía sơ cấp GIẢI: a Tính điện áp, dòng điện thứ cấp sơ cấp Theo cơng thức (3.4) ta có hệ số biến đổi máy biến áp: U1 = 0,0333 K = = 240 U2 720 Từ công thức (3.4) suy điện áp thứ cấp: U1 220 U2 = = 6606V K = 0,0333 Dòng điện thứ cấp: I2 = U̇2 6606∠0o = 45,875∠−46 = oA 144∠46o Từ công thức (3.4) suy dòng điện sơ cấp: Zt I I1 2= = K 45,875∠−4 6o 0,0333 = 1377∠−46oA b Tính tổng trở tải quy đổi dây quấn sơ cấp Tổng trở quy đổi sơ cấp: Ztr = K × = Ω = (0,112 + 0,116j)Ω o o 144∠46 0,162∠46 Zt = 0,03332 c Tính cơng suất tác dụng, phản kháng biểu kiến phía sơ cấp Cơng suất tác dụng phía sơ cấp: 2 P = I1 Rtđ = 1377 × 0,112 = 2102,128W Cơng suất phản kháng phía sơ cấp: 2 Q = I1 Xtđ = 1377 × 0,116 = 219951Var Cơng suất biểu kiến phía sơ cấp: S = ƒP2 + Q2 = ƒ(2102,128)2 + (219951)2 = 219961VA 3.3.2.BÀI TẬP CÓ ĐÁP SỐ Bài 1: Máy biến áp ba pha có Sđm = 1000kVA, U1/U2 = 10/0,4 kV, đấu Y/Y0, Pn = 12500W, Un% = 5,5% a Tính thành phần điện áp ngắn mạch phần trăm Unr% Uns% b Tính độ thay đổi điện áp ∆U% máy biến áp làm việc 3/4 tải định mức cos߮ = 0,8 Đáp số: a Unr = 1,25%; Uns = 5,35% b ∆U% = 3,16% Bài 2: Máy biến áp pha có Sđm = 6667kVA, U1đm = 35kV, U2đm = 10kV, Pn = 53,5kW, xác P0 = 17kW, Un% = 8%, I0% = 3% Hãy định: a Hệ số biến đổi máy biến áp b Dòng điện định mức cuộn dây sơ cấp thứ cấp c Điện áp thứ cấp U2 máy biến áp hệ số tải Kt = 1/2 cos߮t = 0,8 Cho phụ tải có tính chất điện cảm d Hiệu suất máy biến áp hệ số tải Kt = 3/4 cos߮t = 0,9 Đáp số: a K = 3,5 b I1đm = 190A; I2đm = 666,7A c U2 = 9790V d = 99% Bài 3: Máy biến áp ba pha có Sđm = 160kVA, U1đm = 15kV, U2đm = 400V, Pn = 2350W, P0 = 460W, Un% = 4%, dây quấn đấu Y/Y-12 Cho biết r1 = r r r2, x1 = x2 Tính: a I1đm, I2đm, rn, xn, r1, r2, x1, x2 b Kt = 0,75, cos߮t = 0,8 c ∆U2%, U2 Kt = 1, cos߮t = 0,8 Đáp số: a I1đm = 6,16A; I2đm = 230,95A; rn = 20,64W; xn = 52,31W; r1 = 10,32W; r2 = 7,34mW; x1 = 26,15W; x2 = 18,6mW b = 0,98 c ∆U% = 3,4%; U2 = 386,4V Bài 4: Cho máy biến áp làm việc song song với số liệu sau: Tổ nối Máy Sđm(kVA ) U1đm(kV ) U2đm(kV ) U n% I 1000 35 6,3 6,25 Y/Δ-11 II 1800 35 6,3 6,6 Y/Δ-11 III 2400 35 6,3 Y/Δ-11 dây Tính: a Tải máy biến áp tải chung 4500kVA b Tải lớn cung cấp cho hộ dùng điện với điều kiện khơng có máy biến áp tải c Giả sử máy biến áp I phép tải 20% tải chung máy bao nhiêu? Đáp số: a SI = 928kVA; SII = 1582kVA; SIII = 1990kVA b S = 4847kVA c S = 5816,85kVA Bài 5: Một máy biến áp lý tưởng pha 480/120V, 50Hz có dây quấn cao áp nối với lưới có điện áp 460V dây quấn hạ áp nối với tải 24∠32,8 Ω Tính: a Điện áp dòng điện thứ cấp b Dòng điện sơ cấp c Tổng trở vào nhìn từ phía sơ cấp d Công suất tác dụng, công suất phản kháng dung lượng mà tải tiêu thụ Đáp số: a U2 = 115V; I2 b I1 = 4,79∠ − 32,8oA = 1,1975∠ − 32,8oA c P2 = 463W; Q2 = 298,4Var; S2 = 550,85VA 3.4 CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM Câu Máy điện tĩnh làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, cuộn dây khơng có chuyển động tương Loại máy điện tĩnh thông dụng là: a Động điện c Máy phát điện b Máy điện chiều d Máy biến áp Câu Góc pha sức điện động dây quấn máy biến áp so với góc pha từ trường sinh nó:   a Chậm pha b Chậm pha d Nhanh pha c Nhanh pha   Câu Trong máy biến áp, phận dẫn điện là: a Lõi thép b Dây quấn c Vỏ máy d Bình giãn dầu Câu Trong máy biến áp, phận dùng làm mạch dẫn từ là: a Lõi thép b Dây quấn c Vỏ máy d Bình giãn dầu Câu Ký hiệu Y/∆ − 12 máy biến áp có nghĩa gì: a Máy đấu sao/tam giác, góc lệch pha véc tơ sức điện động sơ cấp đến véc tơ sức điện động thứ cấp theo chiều kim đồng hồ 1800 b Máy đấu tam giác/sao, góc lệch pha véc tơ sức điện động sơ cấp đến véc tơ sức điện động thứ cấp theo chiều kim đồng hồ 2700 c Máy đấu sao/tam giác, góc lệch pha véc tơ sức điện động sơ cấp đến véc tơ sức điện động thứ cấp theo chiều kim đồng hồ 360 d Máy đấu tam giác/sao, góc lệch pha véc tơ sức điện động sơ cấp đến véc tơ sức điện động thứ cấp theo chiều kim đồng hồ 00 Câu Khi tải có tính chất cảm kháng thì: a