Bài giảng Chương 2: Máy biến áp TS Nguyễn Quang Nam 2013 – 2014, HK http://www4.hcmut.edu.vn/~nqnam/lecture.php nqnam@hcmut.edu.vn Phần 1 Máy biến áp – Giới thiệu Truyền tải điện từ mạch sang mạch khác thông qua từ trường Ứng dụng: lĩnh vực lượng lẫn truyền thông Trong truyền tải, phân phối, sử dụng điện năng: tăng hay giảm điện áp tần số cố định (50/60 Hz), công suất hàng trăm W đến hàng trăm MW Phần Máy biến áp – Giới thiệu (tt) Trong truyền thông, máy biến áp dùng để phối hợp trở kháng, cách ly DC, thay đổi cấp điện áp công suất vài W dải tần số rộng Gần đây, máy biến áp với lõi ferrite (còn gọi biến áp xung) ngày phổ biến theo phát triển biến đổi điện tử công suất (bộ nguồn xung máy tính ví dụ) Môn học xem xét máy biến áp công suất Phần Máy biến áp – Giới thiệu (tt) Sự biến đổi lượng yêu cầu có từ thông móc vòng biến thiên theo thời gian Do đó, lõi không khí tạo hiệu ứng biến áp, lõi thép kỹ thuật điện cho phép thực hiệu nhiều lần Lõi thép máy biến áp ghép từ nhiều thép mỏng, để giảm tổn hao dòng điện xoáy Mặc dù máy biến áp lực sử dụng lõi thép, tồn lượng nhỏ từ thông tản, liên quan đến dây quấn Phần Một số hình ảnh máy biến áp Điều khiển 10 kV, ngâm dầu Công suất nhỏ pha nhỏ Loại khô 110 kV, ngâm dầu Phần 500 kV, ngâm dầu Máy biến áp – Hoạt động không tải Nếu cấp điện cho dây quấn sơ cấp, để hở mạch dây quấn thứ cấp, ta có điều kiện làm việc không tải (hình 2.4) Để tạo từ thông làm việc máy (bằng với giá trị bình thường), cần có dòng điện cung cấp từ nguồn, gọi dòng điện không tải Thông thường dòng điện từ hóa có giá trị nhỏ so với dòng điện định mức, xem điện áp cảm ứng có giá trị với điện áp đặt vào dây quấn Phần Máy biến áp – Hoạt động không tải (tt) Giả sử từ thông có dạng φ = φmax sin (ωt ) (2.1) Điện áp đặt vào V1 thỏa mãn V1 = 2πfφmax N1 = 4,44 fφmax N1 (2.2) với f tần số dòng điện từ hóa, N1 số vòng dây cuộn sơ cấp Nếu mạch từ hoạt động vùng phi tuyến, dạng sóng dòng từ hóa khác với dạng sóng từ thông Phần Máy biến áp – Hoạt động không tải (tt) Dòng điện không tải bao gồm thành phần: thành phần tổn hao lõi thép thành phần từ hóa Khi mạch từ hoạt động vùng phi tuyến, dòng điện không tải gồm thành phần họa tần bậc lẻ Xét thành phần dòng điện không tải dòng điện không tải hình sin tương đương, biểu diễn dòng điện không tải giản đồ vectơ (hình 2.5) Ví dụ 2.1 (sách Fitzgerald) Phần Máy biến áp lý tưởng Xét mạch từ có quấn cuộn φ i1 dây hình vẽ Bỏ qua tổn + v1 – hao, điện dung ký sinh, từ thông N1 i2 N2 + v2 – rò Xem mạch từ có độ thẩm từ vô lớn hay từ trở v1 (t ) = N dφ dt v (t ) = N dφ dt ⇒ v1 (t ) N1 = =a v (t ) N (2.3) a gọi tỷ số vòng dây Phần Máy biến áp lý tưởng (tt) Sức từ động tổng cho mmf = N1i1 + N i2 = Rφ = i1 (t ) N =− =− i2 (t ) N1 a ⇒ (2.4) (2.5) Dẫn đến mô hình toán MBA sau i1 Ideal i2 + + v1 v2 – – N1:N2 v1 N1 = =a v2 N i1 N =− =− i2 N1 a v1 (t )i1 (t ) + v2 (t )i2 (t ) = Phần (2.6) 10 Máy biến áp lý tưởng (tt) Một mô hình khác sát với tượng vật lý v1 N1 = =a v2 N i1 i1 N = = i2 N1 a v1 (t )i1 (t ) = v2 (t )i2 (t ) Ideal i2 + + v1 v2 – – N1:N2 Có thể thấy rằng, với máy biến áp lý tưởng (theo quy ước mạch điện slide trước) k =1 L2 i1 v =− =− =− i2 v1 a L1 ⇒ L1 N 22 = L2 N 12 (2.7) Phần 11 Tính chất thay đổi trở kháng MBA lý tưởng Xét MBA lý tưởng với tải điện trở nối vào dây quấn Theo định luật Ohm v2 = RL i2 i1 + Thay v2 = v1 a i2 = ai1 v1 (2.8) i2 + v2 – N  v1 = a RL =   RL i1  N2  Ideal RL – N1:N2 Có thể dễ dàng mở rộng kết cho hệ thống có tải phức Có thể chứng minh 2 V1  N1  V2  N1    Z L = a Z L =  =  I1  N  I  N  Phần (2.9) 12 Quy đổi tổng trở, điện áp, dòng điện Như vậy, khảo sát phía sơ cấp, phân biệt mạch điện có điện trở tương đương nối vào sơ cấp, với mạch điện có tổng trở tải nối vào thứ cấp Tóm lại, máy biến áp lý tưởng, điện áp quy đổi theo tỷ số vòng dây, dòng điện theo nghịch đảo tỷ số vòng dây, tổng trở theo bình phương tỷ số vòng dây Công suất thực công suất biểu kiến không đổi Phần 13 Phối hợp trở kháng Tính chất thay đổi trở kháng dùng để cực đại hóa việc truyền công suất dây quấn, hay phối hợp trở kháng Một MBA lý tưởng đặt nguồn công suất (trở kháng Zo) tải (trở kháng ZL) Tỷ số vòng dây chọn cho Z o ≈ (N1 N ) Z L Phần (2.10) 14 Mạch tương đương MBA với mạch từ tuyến tính Xét MBA với từ thông rò điện trở dây quấn Mạch tương đương rút trực tiếp từ mô hình vật lý đơn giản ích Các phương trình phía thứ cấp nhân với a (= N1/N2) i2 thay i2/a, để rút mạch tương đương có ích (hình 2.10) i1 R1 i2 + + v1 v2 – – N1:N2 L1 – aM a2R2 a L2 – aM + RL + i1 v1 – aM i2/a av2 a2RL – Phần 15 Mạch tương đương MBA với mạch từ tuyến tính L1 – aM gọi điện cảm tản dây quấn 1, a2L2 – aM gọi điện cảm tản “quy đổi” dây quấn aM điện cảm từ hóa, dòng điện với gọi dòng điện từ hóa Tồn tổn hao công suất lõi từ từ trễ dòng xoáy Các tổn hao khó tính toán giải tích Tổng tổn hao biểu diễn tổn hao tổng mạch từ máy biến áp, phụ thuộc vào giá trị Bm Chúng gọi tổn hao (lõi) thép Một điện trở mắc song song với điện kháng từ hóa aM để kể đến tổn hao Phần 16 Mạch tương đương MBA với mạch từ tuyến tính (tt) Khi có xét đến tổn hao công suất, mạch tương đương (hình T) MBA sau i1 L1 – aM R1 a2R2 a L2 – aM + i2 + Ideal + v1 Rc1 av2 (aM)1 – v2 – RL – N1:N2 Tải thực RL điện áp/dòng điện với có cách quy đổi ngược phía thứ cấp, qua MBA lý tưởng (như thể hình trên) Phần 17 Máy biến áp vận hành xác lập hình sin Khi vận hành xác lập, trở kháng vectơ pha dùng mạch tương đương jxl1 R1 + V1 a2R2 I1 ja2xl2 I2 a Rc1 jXm1 – Ideal I2 + + aV2 V2 – ZL – N1:N2 với ω (L1 − aM ) = xl1 = ω (aM ) = X m1 = ω ( L2 − M a ) = x l = ω (a L2 − aM ) = a xl = Điện kháng tản dây quấn Điện kháng từ hóa quy đổi dây quấn Điện kháng tản dây quấn Điện kháng tản d/quấn quy đổi d/quấn Phần 18 Máy biến áp vận hành xác lập hình sin (tt) Tất đại lượng quy đổi dây quấn jxl1 R1 + I1 V1 ja2xl2 a2R2 + I2 a Rc1 a2ZL jXm1 – aV2 – Hoặc quy đổi dây quấn jxl1/a2 R1/a2 + V1 a jxl2 R2 aI1 + I2 Rc1/a2 jXm1/a2 – ZL V2 – Phần 19 Bài giảng Chương 2: Máy biến áp TS Nguyễn Quang Nam 2013 – 2014, HK http://www4.hcmut.edu.vn/~nqnam/lecture.php nqnam@hcmut.edu.vn Phần Các yếu tố kỹ thuật phân tích MBA Nhánh từ hóa khiến việc tính toán khó khăn, nhánh chuyển lên phía đầu dây quấn 1, tạo thành mạch tương đương gần đúng, với sai số không đáng kể R1 + jxl1 a2R2 I1 a2ZL jXm1 – aV2 – R1eq I1 V1 Rc1 + I2 a V1 Rc1 + ja2xl2 jx1eq I2 a jXm1 a2ZL – + aV2 – Phần R1eq = R1 + a R2 (2.11) x1eq = xl1 + a xl (2.12) Thí nghiệm hở mạch ngắn mạch MBA Các thông số mạch tương đương xác định nhờ hai thí nghiệm đơn giản: thí nghiệm hở mạch and thí nghiệm ngắn mạch Trong MBA công suất, dây quấn gọi dây quấn cao áp (HV) dây quấn hạ áp (LV) Các tên gọi dùng thí nghiệm hở mạch ngắn mạch Phần Thí nghiệm hở mạch Thí nghiệm thực với tất dụng cụ đo phía hạ áp phía cao áp hở mạch Đặt điện áp định mức vào phía hạ áp Đo Voc, Ioc, Poc dụng cụ đo A I oc W Voc Voc V IR Rc LV IX Xm HV Mạch tương đương Thí nghiệm hở mạch Phần Thí nghiệm hở mạch (tt) Lần lượt tính toán sau Voc2 Rc = Poc IR = Voc Rc I oc = I R + I X I oc Vậy, Voc I X = I oc2 − I R2 IR IX Xm Rc Voc Xm = IX Mạch tương đương Rc Xm giá trị quy đổi phía hạ áp Phần Thí nghiệm ngắn mạch Tất dụng cụ đo nằm phía cao áp Cấp dòng điện định mức vào phía cao áp Đo Vsc, Isc, Psc dụng cụ đo A I sc W Req Xeq Vsc Vsc V HV Req = Psc I sc2 Z eq = LV Vsc I sc X eq = Z eq2 − Req2 Req Xeq quy đổi phía cao áp Phần Hiệu suất Hiệu suất định nghĩa tỷ số công suất thực ngõ công suất thực ngõ vào η= Pout Pout Pout = ×100% = ×100% (2.13) Pin Pout + losses Pout + Pc + Pi Các tổn hao (losses) bao gồm tổn hao đồng Pc tổn hao sắt (thép) Pi Cách khác, biết công suất vào, η= Pin − Pc − Pi × 100% Pin (2.14) Phần Hiệu suất (tt) Định nghĩa hệ số tải β β= I2 I dm (2.15) Hiệu suất tính   P0 + β Pn  ×100% η (% ) = 1 −  βS dm cos(θ ) + P0 + β Pn  (2.16) với P0 = Poc, Pn = Psc, Sdm công suất (biểu kiến) định mức máy biến áp Phần Độ ổn định điện áp Độ ổn định điện áp định nghĩa %∆V = Vno load − Vload ×100% Vload (2.17) Vno load – điện áp không tải, Vload – điện áp có tải Độ ổn định hiểu theo nghĩa: giá trị %∆V nhỏ điện áp ổn định, tải thay đổi Thảo luận: Độ ổn định điện áp có phụ thuộc vào tính chất cảm kháng hay dung kháng tải hay không? Phần Độ ổn định điện áp (tt) Có thể tính gần %∆V = β (unr % cos(θ ) + unx % sin (θ ))×100% (2.18) với β hệ số tải, θ2 góc hệ số công suất phía tải, unr unx phần thực phần ảo vectơ pha ∆U (là hiệu vectơ pha điện áp U2 không tải có tải) Phần 10 Máy biến áp tự ngẫu Hai cuộn dây MBA bình thường nối lại để tạo thành MBA tự ngẫu, hình 2.17b Nguồn: “Electric Machinery”, 6E, Fitzgerald Phần 11 Máy biến áp tự ngẫu (tt) Việc làm khiến cuộn dây máy không cách ly với Tuy nhiên, điện áp sơ cấp thứ cấp không khác biệt, MBA tự ngẫu giảm chi phí chế tạo nhiều, có điện kháng tản, tổn hao, dòng điện không tải nhỏ so với MBA dây quấn (ví dụ 2.7) Phần 12 Ví dụ 2.7 (Sách Fitzgerald) MBA 2400:240-V 50 kVA vd 2.6 nối thành máy biến áp tự ngẫu (BATN), hình 2.18a, với ab dây quấn 240 V bc dây quấn 2400 V Tính định mức điện áp VH VX tương ứng với phía cao áp hạ áp Tính định mức kVA BATN Tổn thất cho vd 2.6 Tính hiệu suất định mức BATN tải định mức với hệ số công suất 0,8 trễ Phần 13 Máy biến áp ba pha Có thể dùng máy biến áp pha để nối thành máy biến áp pha theo cách sau: Y-∆, ∆Y, ∆-∆, Y-Y (hình 2.19, sách Fitzgerald) Trong sơ đồ hình, cuộn dây sơ cấp thứ cấp song song với cuộn dây tương ứng Bất chấp kiểu nối dây, định mức máy biến áp pha lần định mức máy biến áp pha thành phần Phần 14 Máy biến áp ba pha (tt) Nguồn: “Electric Machinery”, 6E, Fitzgerald Phần 15 Máy biến áp ba pha (tt) Kiểu nối Y-∆ thường dùng để hạ điện áp từ cao xuống trung hạ Lý trung tính phía cao nhiều trường hợp cần nối đất Kiểu nối ∆-Y thường dùng để tăng điện áp đến giá trị cao Kiểu nối ∆-∆ có ưu điểm máy biến áp tháo để sửa chữa hai máy lại vận hành với tổng công suất 58% Phần 16 Máy biến áp ba pha (tt) Kiểu nối Y-Y dùng dây quấn cho phép khử họa tần bậc Cũng sử dụng lõi thép nhiều trụ để chế tạo máy biến áp pha Các ưu điểm: chi phí, lượng, diện tích sàn nhỏ hơn, hiệu suất cao đôi chút Phần 17 Máy biến áp ba pha (tt) Với hệ cân bằng, phân tích máy pha sơ đồ pha, với giả thiết tượng xảy pha lại không khác Khi gặp toán có mạch pha nối ∆, quy đổi thành mạch pha nối Y tương đương Ví dụ 2.8 (sách Fitzgerald) Phần 18 Ví dụ 2.8 (Sách Fitzgerald) Ba MBA pha 50 kVA, 2400:240-V hoàn toàn giống (như vd 2.6) nối theo kiểu Y∆ để tạo thành MBA 150 kVA, nối vào đường dây có tổng trở 0,15 + j1,00 Ω/pha MBA cung cấp cho tải pha cân thông qua đường dây có tổng trở 0,0005 +j0,002 Ω/pha Tìm điện áp dây tải tải tiêu thụ dòng định mức từ MBA HSCS 0,8 trễ Phần 19 Máy biến điện áp máy biến dòng Máy biến áp thường dùng đo lường để điều chỉnh cấp điện áp hay dòng điện cho phù hợp với thang đo thiết bị đo Điện áp dòng điện cần đo có giá trị lớn so với thang đo chuẩn hóa Một kỹ thuật phổ biến dùng máy biến áp đặc biệt, gọi PT CT Phần 20 Máy biến điện áp máy biến dòng (tt) PT (Potential Transformer) máy biến điện áp, vận hành chế độ gần hở mạch, cho phép có điện áp thứ cấp tỷ lệ pha với sơ cấp CT (Current Transformer) máy biến dòng, vận hành chế độ gần ngắn mạch, cho phép có dòng điện thứ cấp tỷ lệ pha với sơ cấp Phần 21 Máy biến điện áp máy biến dòng (tt) PT CT, gọi chung máy biến áp đo lường, chế tạo giống với máy biến áp lý tưởng đến mức Sai số PT giảm thiểu cách chế tạo cho tổng trở tản sơ cấp nhỏ nhiều so với điện kháng từ hóa Sai số tăng lên PT mang tải (hữu hạn) Phần 22 Máy biến điện áp máy biến dòng (tt) Sai số CT giảm thiểu cách làm cho tổng trở tản thứ cấp nhỏ nhiều so với điện kháng từ hóa Sai số tăng lên CT mang tải (hữu hạn) Tải PT phải lớn giá trị tối thiểu, tải CT phải nhỏ giá trị tối đa, để đảm bảo sai số nằm phạm vi thiết kế Phần 23 [...].. .Bài giảng Chương 2: Máy biến áp TS Nguyễn Quang Nam 20 13 – 20 14, HK 2 http://www4.hcmut.edu.vn/~nqnam/lecture.php nqnam@hcmut.edu.vn Phần 2 1 Các yếu tố kỹ thuật trong phân tích MBA Nhánh từ hóa khiến việc tính toán khá khó khăn, do đó nhánh này được chuyển lên phía đầu dây quấn 1, tạo thành một mạch tương đương gần đúng, với sai số không đáng kể R1 + jxl1 a2R2 I1 a2ZL jXm1 – aV2 – R1eq I1... Phần 2 20 Máy biến điện áp và máy biến dòng (tt) PT (Potential Transformer) là máy biến điện áp, vận hành ở chế độ gần như hở mạch, cho phép có điện áp thứ cấp tỷ lệ và cùng pha với sơ cấp CT (Current Transformer) là máy biến dòng, vận hành ở chế độ gần như ngắn mạch, cho phép có dòng điện thứ cấp tỷ lệ và cùng pha với sơ cấp Phần 2 21 Máy biến điện áp và máy biến dòng (tt) PT và CT, gọi chung là máy. .. khiến 2 cuộn dây của máy không còn cách ly với nhau nữa Tuy nhiên, khi điện áp sơ cấp và thứ cấp không quá khác biệt, MBA tự ngẫu có thể giảm chi phí chế tạo nhiều, cũng như có điện kháng tản, tổn hao, và dòng điện không tải nhỏ hơn so với MBA 2 dây quấn (ví dụ 2. 7) Phần 2 12 Ví dụ 2. 7 (Sách Fitzgerald) MBA 24 00 :24 0-V 50 kVA trong vd 2. 6 được nối thành máy biến áp tự ngẫu (BATN), như trong hình 2. 18a,... lên phía đầu dây quấn 1, tạo thành một mạch tương đương gần đúng, với sai số không đáng kể R1 + jxl1 a2R2 I1 a2ZL jXm1 – aV2 – R1eq I1 V1 Rc1 + I2 a V1 Rc1 + ja2xl2 jx1eq I2 a jXm1 a2ZL – + aV2 – Phần 2 R1eq = R1 + a 2 R2 (2. 11) x1eq = xl1 + a 2 xl 2 (2. 12) 2 Thí nghiệm hở mạch và ngắn mạch của MBA Các thông số trong mạch tương đương có thể được xác định nhờ hai thí nghiệm đơn giản: thí nghiệm hở mạch... 0,0005 +j0,0 02 Ω/pha Tìm điện áp dây của tải khi tải tiêu thụ dòng định mức từ MBA ở HSCS 0,8 trễ Phần 2 19 Máy biến điện áp và máy biến dòng Máy biến áp cũng thường được dùng trong đo lường để điều chỉnh cấp điện áp hay dòng điện cho phù hợp với thang đo của thiết bị đo Điện áp và dòng điện cần đo có thể có giá trị rất lớn so với các thang đo đã chuẩn hóa Một kỹ thuật phổ biến là dùng các máy biến áp... cos(θ 2 ) + unx % sin (θ 2 ))×100% (2. 18) với β là hệ số tải, 2 là góc hệ số công suất phía của tải, unr và unx là phần thực và phần ảo của vectơ pha ∆U (là hiệu của vectơ pha điện áp U2 khi không tải và khi có tải) Phần 2 10 Máy biến áp tự ngẫu Hai cuộn dây của một MBA bình thường có thể được nối lại để tạo thành MBA tự ngẫu, như hình 2. 17b Nguồn: “Electric Machinery”, 6E, Fitzgerald Phần 2 11 Máy. .. của máy biến áp Phần 2 8 Độ ổn định điện áp Độ ổn định điện áp được định nghĩa là %∆V = Vno load − Vload ×100% Vload (2. 17) Vno load – điện áp không tải, Vload – điện áp khi có tải Độ ổn định được hiểu theo nghĩa: giá trị %∆V càng nhỏ thì điện áp càng ổn định, khi tải thay đổi Thảo luận: Độ ổn định điện áp có phụ thuộc vào tính chất cảm kháng hay dung kháng của tải hay không? Phần 2 9 Độ ổn định điện. .. Pout Pout = ×100% = ×100% (2. 13) Pin Pout + losses Pout + Pc + Pi Các tổn hao (losses) bao gồm tổn hao đồng Pc và tổn hao sắt (thép) Pi Cách khác, nếu đã biết công suất vào, η= Pin − Pc − Pi × 100% Pin (2. 14) Phần 2 7 Hiệu suất (tt) Định nghĩa hệ số tải β β= I2 I 2 dm (2. 15) Hiệu suất có thể được tính bởi   P0 + β 2 Pn  ×100% η (% ) = 1 − 2  βS dm cos(θ 2 ) + P0 + β Pn  (2. 16) với P0 = Poc, Pn... ab là dây quấn 24 0 V và bc là dây quấn 24 00 V Tính định mức điện áp VH và VX tương ứng với phía cao áp và hạ áp Tính định mức kVA của BATN Tổn thất được cho trong vd 2. 6 Tính hiệu suất định mức của BATN ở tải định mức với hệ số công suất 0,8 trễ Phần 2 13 Máy biến áp ba pha Có thể dùng 3 máy biến áp 1 pha để nối thành máy biến áp 3 pha theo 1 trong 4 cách sau: Y-∆, ∆Y, ∆-∆, và Y-Y (hình 2. 19, sách Fitzgerald)... Với các hệ cân bằng, có thể phân tích máy 3 pha bằng sơ đồ 1 pha, với giả thiết hiện tượng xảy ra trong 2 pha còn lại không khác gì Khi gặp các bài toán có các mạch 3 pha nối ∆, có thể quy đổi thành mạch 3 pha nối Y tương đương Ví dụ 2. 8 (sách Fitzgerald) Phần 2 18 Ví dụ 2. 8 (Sách Fitzgerald) Ba MBA một pha 50 kVA, 24 00 :24 0-V hoàn toàn giống nhau (như trong vd 2. 6) được nối theo kiểu Y∆ để tạo thành ... Rc1 a2ZL jXm1 – aV2 – Hoặc quy đổi dây quấn jxl1/a2 R1/a2 + V1 a jxl2 R2 aI1 + I2 Rc1/a2 jXm1/a2 – ZL V2 – Phần 19 Bài giảng Chương 2: Máy biến áp TS Nguyễn Quang Nam 20 13 – 20 14, HK http://www4.hcmut.edu.vn/~nqnam/lecture.php... không đáng kể R1 + jxl1 a2R2 I1 a2ZL jXm1 – aV2 – R1eq I1 V1 Rc1 + I2 a V1 Rc1 + ja2xl2 jx1eq I2 a jXm1 a2ZL – + aV2 – Phần R1eq = R1 + a R2 (2. 11) x1eq = xl1 + a xl (2. 12) Thí nghiệm hở mạch ngắn... thứ cấp nhân với a (= N1/N2) i2 thay i2/a, để rút mạch tương đương có ích (hình 2. 10) i1 R1 i2 + + v1 v2 – – N1:N2 L1 – aM a2R2 a L2 – aM + RL + i1 v1 – aM i2/a av2 a2RL – Phần 15 Mạch tương đương