CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 3.1.1 Định nghĩa máy biến áp Máy biến áp thiết bị điện từ loại tĩnh, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, biến đổi hệ thống dòng điện xoay chiều điện áp thành hệ thống dòng điện xoay chiều điện áp khác với tần số không thay đổi - Do máy biến áp làm nhiệm vụ truyền tải phân phối lượng không biến đổi lượng - Thực tế máy biến áp gồm có hai nhiều cuộn dây liên hệ từ thơng móc vịng - Nếu cuộn dây đặt vào nguồn điện áp xoay chiều (gọi cuộn dây sơ cấp), có từ thông sinh với biên độ phụ thuộc vào điện áp sơ cấp số vòng dây quấn sơ cấp CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 3.1.1 Định nghĩa máy biến áp - Từ thơng móc vịng cuộn dây quấn khác (dây quấn thứ cấp) cảm ứng dây quấn thứ cấp có sức điện động mới, có giá trị phụ thuộc vào số vịng dây quấn thứ cấp - Với tỷ số tương ứng số vòng dây quấn sơ cấp thứ cấp có tỷ lệ tương ứng điện áp sơ cấp thứ cấp 3.1.2 Nguyên lý hoạt động máy biến áp - Nguyên lý hoạt động máy biến áp dựa ý niệm cảm ứng điện từ - Để tăng hiệu quả, mạch từ cấu tạo vật liệu dẫn từ tốt (vật liệu tole silic) thay dùng mạch từ khơng khí - Ta xét sơ đồ nguyên lý máy biến áp hình 3.1 CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 3.1.2 Nguyên lý hoạt động máy biến áp Hình 3.1 Sơ đồ máy biến áp pha hai dây quấn - Dây quấn có N1 vịng dây dây quấn có N2 vịng dây quấn lõi thép - Khi đặt điện áp xoay chiều U1 vào dây quấn (dây quấn sơ cấp), có dịng điện i1 chạy dây quấn CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 3.1.2 Nguyên lý hoạt động máy biến áp - Trong lõi sinh từ thơng Φ móc vịng với hai dây quấn 2, cảm ứng sức điện động e1 e2 - Dây quấn (dây quấn thứ cấp) có sức điện động e2, sinh dòng điện i2 đưa tải với điện áp xoay chiều u2 - Như lượng dòng điện xoay chiều truyền từ dây quấn sang dây quấn - Giả sử điện áp xoay chiều đặt vào hàm số hình sin, từ thơng sinh hàm số hình sin: Φ = Φ sinω.t m (3.1) MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA CHƯƠNG 3: 3.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 3.1.2 Nguyên lý hoạt động máy biến áp - Theo định luật cảm ứng điện từ sức điện động cảm ứng e1, e2 sinh cuộn sơ cấp thứ cấp là: dΦ = N 1Φ mω sin ωt − 90 O = E1 sin ωt − 90 O dt dΦ e2 = − N = N 1Φ mω sin (ωt − 90 O ) = E 2 sin (ωt − 90 O ) dt ( e1 = − N Với: E1 = E2 = N 1φ m ω N φmω ) ( ) = π N 1fφ m = 4,44 N 1fφ m = π N fφ m = 4,44 N fφ m trị số hiệu dụng sức điện động e1 e2 (3.2) (3.3) (3.4) (3.5) CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 3.1.2 Nguyên lý hoạt động máy biến áp - Các biểu thức (3.2) (3.3) cho thấy sức điện động cảm ứng dây quấn ln chậm pha với từ thơng sinh góc 900 - Tỷ số biến đổi máy biến áp định nghĩa sau: k= E1 N1 = E2 N2 (3.6) - Nếu bỏ qua điện áp rơi dây quấn, xem E1 ≈ U1 E2 ≈ U2 , k xem tỷ số biến áp dấy quấn dây quấn 2: U1 E1 N1 ≈ = =k U2 E2 N2 (3.7) CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 3.1.2 Nguyên lý hoạt động máy biến áp - Nếu bỏ qua tổn hao máy biến áp U1I1 = U2I2 Vậy: U1 I = =k U I1 (3.8) - Nếu N2> N1 U2 > U1, I2< I1: máy tăng áp - Nếu N2< N1 U2 < U1, I2> I1: máy giảm áp 3.1.3 Các đại lượng định mức - Các đại lượng định mức máy biến áp nhà chế tạo qui định cho máy làm việc lâu dài, gồm có: điện áp định mức, dịng điện định mức cơng suất định mức CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 3.1.3 Các đại lượng định mức 1- Điện áp định mức dây quấn sơ cấp U1đm: điện áp qui định cho dây quấn sơ cấp 2- Điện áp định mức dây quấn thứ cấp U2đm: điện áp hai đầu dây quấn thứ cấp (hở mạch) điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp định mức Với máy ba pha, điện áp định mức điện áp dây Đơn vị tính V, kV 3- Dịng điện định mức sơ cấp I1đm thứ cấp I2đm: dòng điện qui định cho dây quấn, ứng với công suất định mức điện áp định mức Với máy ba pha, dòng điện định mức dòng điện dây Đơn vị tính A, kA CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 3.1.3 Các đại lượng định mức 4- Công suất định mức Sđm máy: cơng suất tồn phần (hay biểu kiến) thứ cấp chế độ định mức Đơn vị tính VA, kVA, MVA Ta có: Máy pha: Sđm = U2đm I2đm= U1đm I1đm Máy ba pha: Sđm = U2đm I2đm= U1đm (3.9) I1đm (3.10) 5- Tần số định mức fđm có đơn vị Hz 6- Các đại lượng định mức khác: số pha m, sơ đồ tổ nối dây quấn Điện áp ngắn mạch Un% Chế độ làm việc: ngắn hạn hay dài hạn CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 3.1.4 Cấu tạo máy biến áp - Máy biến áp có phận sau: lõi thép (mạch từ), dây quấn vỏ máy 3.1.4.1 Lõi thép máy biến áp - Lõi thép dùng làm mạch từ, để dẫn từ thông, đồng thời làm khung để đặt dây quấn - Thông thường để giảm tổn hao dịng điện xốy sinh ra, lõi thép cấu tạo gồm thép kỹ thuật điện (tole silic) dày 0,35 mm ghép lại máy biến áp hoạt động tần số đến vài trăm Hertz - Đối với máy biến áp dùng lĩnh vực thông tin, tần số cao, thường cấu tạo thép permalloy ghép lại - Theo hình dạng lõi thép, có hai loại mạch từ: 10 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA CHƯƠNG 3: 3.2 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG KHƠNG TẢI 3.2.2 Dịng điện khơng tải thực tế I0r < 10%.I0, nghĩa góc α thường nhỏ, xem: I0x = I0 - Dịng điện khơng tải I0 thơng thường nằm phạm vi từ 0,05 đến 0,1 dòng điện định mức cuộn dây sơ cấp 3.2.3 Tổn hao không tải - Tổn hao không tải P0 máy biến áp bao gồm tổn hao lõi thép PFe tổn hao phần đồng dây quấn sơ cấp PCu1 30 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA CHƯƠNG 3: 3.2 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG KHÔNG TẢI 3.2.3 Tổn hao không tải - Tổn hao thép PFe: thông thường khoảng 0,1% đến 0,2% tổng công suất máy biến áp bao gồm: tổn hao từ trễ Ph, tỷ lệ với tần số từ hóa f tỷ lệ bình phương với cảm ứng từ B2 tổn hao dịng xốy Px, tỷ lệ với bình phương tần số f2 bình phương cảm ứng từ B2 Thực tế tính tốn sử dụng biểu thức sau: f 1,3 PFe = Ph + Px = ∑ P1, / 50 B ( ) m k 50 k k (3.17) với: P1,0/50 – suất tổn hao lõi thép tần số từ hóa f = 50Hz với cảm ứng từ 1,0 Tesla (W/kg) 31 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA CHƯƠNG 3: 3.2 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG KHÔNG TẢI 3.2.3 Tổn hao không tải mk – khối lượng lõi thép đoạn k (kg) B – cảm ứng từ lõi thép đoạn k - Tổn hao phần đồng PCu1: (Tesla) PCú = r1 I 02 (3.18) thường nhỏ (do dịng điện I0 nhỏ) bỏ qua được, tổn hao khơng tải P0 máy biến áp tính là: P0 = PFe (3.19) 32 CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.3 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG CÓ TẢI - Dây quấn thứ cấp máy biến áp nối với tải, xuất dịng điện i2 chạy dây quấn thứ cấp - Để thấy rõ trình lượng máy biến áp, khảo sát quan hệ điện từ trường hợp 3.3.1 Phương trình cân sức điện động Một máy biến áp pha vẽ hình 3.11 Hình 3.11 Máy biến áp pha 33 CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.3 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG CĨ TẢI 3.3.1 Phương trình cân sức điện động - Khi đặt vào dây quấn sơ cấp điện áp xoay chiều U1 có dịng điện i1 chạy Nếu phía thứ cấp nối vào tải nghĩa có dịng điện i2 chạy dây quấn - Các dòng điện i1 i2 tạo nên sức từ động i1.N1 i2.N2 - Phần lớn từ thông i1.N1 i2.N2 sinh khép mạch qua lõi thép móc vịng với hai dây quấn sơ cấp thứ cấp gọi từ thơng Φ - Từ thơng sinh dây quấn sơ cấp thứ cấp sức điện động chính: dΨ1 dΦ e1 = − N =− dt dt (3.20) 34 CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.3 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG CĨ TẢI 3.3.1 Phương trình cân sức điện động dΨ2 dΦ e2 = − N =− dt dt (3.21) đó: ψ1 = Φ1.N1 ψ2 = Φ2.N2 – từ thơng móc vịng với dây quấn sơ cấp thứ cấp ứng với từ thơng Φ - Một phần nhỏ từ thông sức từ động i1.N1 i2.N2 sinh bị tản ngồi lõi thép khép mạch qua khơng khí hay môi trường làm việc gọi từ thông tản sơ cấp Φσ1 từ thông tản thứ cấp Φσ2 - Các từ thông tản sinh sức điện động tản tương ứng: eσ = − N dΦ σ dΨ = − σ1 dt dt (3.22) 35 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA CHƯƠNG 3: 3.3 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG CÓ TẢI 3.3.1 Phương trình cân sức điện động eσ dΦ σ dΨσ = −N2 =− dt dt (3.23) đó: ψσ1 = Φσ1.N1 ψσ2 = Φσ2.N2 – từ thơng tản móc vịng với dây quấn sơ cấp thứ cấp - Vì từ thơng tản chủ yếu qua mơi trường khơng từ tính có độ từ thẩm µ = constant nên xem ψσ1 ψσ2 tỷ lệ với dòng điện tương ứng sinh chúng qua hệ số điện cảm tản Lσ1 Lσ2 số: ψσ1 = Lσ1.i1 (3.24) ψσ2 = Lσ2.i2 (3.25) 36 CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.3 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG CĨ TẢI 3.3.1 Phương trình cân sức điện động Do sức điện động tản sơ cấp thứ cấp: eσ = − Lσ eσ = − Lσ di1 dt di2 dt (3.26) (3.27) - Theo định luật Kirchhoff có phương trình cân sức điện động dây quấn sơ cấp: U1 + e1 + eσ1 = i1.r1 (3.28) với r1 – điện trở dây quấn sơ cấp Hay U1 = - e1 - eσ1 + i1.r1 (3.29) 37 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA CHƯƠNG 3: 3.3 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG CĨ TẢI 3.3.1 Phương trình cân sức điện động tương tự dây quấn thứ cấp: e2 + eσ2 = U2 + i2.r2 hay (3.30) U2 = e2 + eσ2 - i2.r2 (3.31) với r2 – điện trở dây quấn thứ cấp - Nếu điện áp, sức điện động, dòng điện đại lượng xoay chiều biến thiên theo hàm hình sin với thời gian phương trình (3.29) (3.31) biểu diễn dạng số phức: • • • • U = − E − E σ + I r1 (3.32) 38 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA CHƯƠNG 3: 3.3 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG CÓ TẢI 3.3.1 Phương trình cân sức điện động • • • • U = E + E σ − I r2 (3.33) sức điện động tản sơ cấp: eσ = − Lσ dI sin ω.t di1 = − Lσ m = − I m ω.Lσ cos ω.t dt dt = I x1 sin(ω.t − π π ) = Eσ sin(ω.t − ) 2 (3.34) Biểu diễn dạng số phức: • • E σ = − j I x1 (3.35) đó: x1 = ω.Lσ1 – điện kháng tản dây quấn thứ cấp 39 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA CHƯƠNG 3: 3.3 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG CÓ TẢI 3.3.1 Phương trình cân sức điện động - Như vậy, thay giá trị Eσ1 Eσ2 vào phương trình (3.32) (3.33), có phương trình cân sức điện động dây quấn sơ cấp thứ cấp viết dạng số phức: • • • • • • • • • U = − E + j I x1 + I r1 = − E + I (r1 + j.x1 ) = − E + I Z • • • • • • • • • U = E − j I x − I r2 = E − I (r2 + j.x ) = E − I Z (3.36) (3.37) đó: Z1 = r1 + j.x1 Z2 = r2 + j.x2 – tổng trở dây quấn sơ cấp thứ cấp tương ứng 40 CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.3 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG CÓ TẢI 3.3.2 Phương trình cân sức từ động - Lúc máy biến áp làm việc có tải, từ thơng máy sức từ động tổng sơ cấp thứ cấp (i1.N1 - i2.N2) tạo nên - Nếu hở mạch thứ cấp, lúc máy biến áp làm việc tình trạng khơng tải với dịng điện dây quấn sơ cấp i0, từ thơng lõi thép sức từ động i0.N1 sinh - Nếu bỏ qua điện áp rơi I1.Z1 máy biến áp, điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp sức điện động cảm ứng từ thơng sinh U1 = E1 = 4,44f.N1.Φm 41 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA CHƯƠNG 3: 3.3 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG CĨ TẢI 3.3.2 Phương trình cân sức từ động - Nhưng điện áp U1 đặt vào thường giữ điện áp định mức luôn không đổi dù máy biến áp làm việc khơng tải hay có tải, sức điện động E1 từ thông Φm máy biến áp ln ln có giá trị khơng đổi - Như vậy, sức từ động (i1.N1 - i2.N2) sinh từ thông Φm lúc có tải phải sức từ động i0.N1 lúc không tải, để đảm bảo sinh từ thơng khơng đổi Φm i1.N1 - i2.N2 = i0.N1 (3.38) hay viết dạng số phức • • • I N1 − I N = I N1 (3.39) 42 CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.3 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG CĨ TẢI 3.3.2 Phương trình cân sức từ động hay: N2 • I1− I = I0 N1 • • • • • I1 = I + I hoặc: • • •' N2 N1 I1 = I + I với: (3.40) (3.41) (3.42) •' N2 • I2 = I N1 43 CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.3 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG CÓ TẢI 3.3.2 Phương trình cân sức từ động Từ biểu thức (3.42), thấy, lúc máy biến áp có tải, dịng điện dây quấn sơ cấp I1 gồm có hai thành phần: - Một thành phần I0: dùng để tạo nên từ thơng lõi thép - Một thành phần I’2: dùng để bù lại tác dụng dịng điện thứ cấp - Do tải tăng lên, tức dòng điện thứ cấp I2 tăng lên thành phần I’2 tăng lên, nghĩa dòng điện sơ cấp I1 tăng lên để đảm bảo dịng điện I0 khơng đổi - Chính dây quấn sơ cấp nhận thêm lượng từ lưới truyền sang dây quấn thứ cấp cung cấp cho tải 44 ... lượng máy biến áp, khảo sát quan hệ điện từ trường hợp 3.3.1 Phương trình cân sức điện động Một máy biến áp pha vẽ hình 3.11 Hình 3.11 Máy biến áp pha 33 CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.3 MÁY BIẾN... PHA 3.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 3.1.4 Cấu tạo máy biến áp Hình 3.3 Hình 3.4 13 CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 3.1.4 Cấu tạo máy biến áp 3.1.4.3 Vỏ máy Gồm hai phận:... Ta xét sơ đồ nguyên lý máy biến áp hình 3.1 CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 3.1.2 Nguyên lý hoạt động máy biến áp Hình 3.1 Sơ đồ máy biến áp pha hai dây quấn - Dây