Chuong5 MAYBIENAP
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (756 KB, 24 trang ) Chương 5. Máy biến áp b) Dòng điện định mức Dòng điện định mức là dòng điện đã qui định cho mỗi dây quấn của máy biến áp, ứng với công suất định mức và điện áp định mức. Khi điện áp đặt vào cuộn dây sơ cấp là định mức và nối cuộn dây thứ cấp với tải có công suất bằng công suất định mức của máy biến áp thì dòng điện đo được trên cuộn dây sơ 104 Chương 5. Máy biến áp cấp là dòng điện sơ cấp định mức (I1đm) và dòng điện đo được trên cuộn dây thứ cấp là dòng điện thứ cấp định mức (I2đm). Đối với máy biến áp một pha, dòng điện định mức là dòng điện pha. Đối với máy biến áp ba pha, dòng điện định mức là dòng điện dây. Khi thiết kế máy biến áp người ta căn cứ vào dòng điện định mức để chọn tiết diện dây quấn sơ cấp và thứ cấp, xác định các tổn hao năng lượng trong điện trở dây quấn để đảm bảo nhiệt độ tăng trong q trình sử dụng khơng vượt q giới hạn an tồn. c) Cơng suất định mức Cơng suất định mức của máy biến áp là cơng suất biểu kiến thứ cấp ở chế độ làm việc định mức. Cơng suất định mức ký hiệu là Sđm, đơn vị là VA hoặc kVA. Đối với máy biến áp một pha, cơng suất định mức là: Sđm = U2đm* I2đm = U1đm* I1đm (5-1) Đối với máy biến áp ba pha, cơng suất định mức là: Sđm = 3 U2đm* I2đm = 3 U1đm* I1đm (5-2) Ngồi ra trên nhãn máy còn ghi tần số, số pha, sơ đồ nối dây, điện áp ngắn mạch, chế độ làm việc… của máy biến áp đó. Trong q trình sử dụng, nếu ta đặt máy biến áp hoạt động ỏ mức dưới các đại lượng định mức thì sẽ gây lãng phí khả năng làm việc của máy biến áp, còn nếu ta đặt trên các đại lượng định mức thì gây nguy hiểm, dễ gây hỏng máy biến áp. 5.1.3. Vai trò của máy biến áp: Máy biến áp có vai trò rất quan trọng trong hệ thống điện, dùng để truyền tải và phân phối điện năng. - Để nâng cao khả năng truyền tải và giảm tổn hao trên đường dây, người ta nâng cao điện áp truyền tải trên dây, vì vậy ở đầu đường dây truyền tải cần đặt MBA tăng áp. - Điện áp tải thường nhỏ, vì vậy ở cuối đường dây phải đặt MBA hạ áp. - Ngồi ra MBA còn được sử dụng trong các lò nung, hàn điện, làm nguồn cho các thiết bị điện, điện tử, đo lường. Máy phát điện ∼ Máy biến áp tăng áp Hộ tiêu thụ Đường dây tải Máy biến áp giảm áp Sơ đồ mạng truyền tải điện đơn giản Hình 5-2 105 Chương 5. Máy biến áp Một số hình dạng của MBA: §5.2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC 5.2.1. Cấu tạo Máy biến áp có hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn. 106 Chương 5. Máy biến áp Hình 5-3. Sơ đồ cấu tạo máy biến áp một pha a) Lõi thép Lõi thép máy biến áp dùng để dẫn từ thông chính của máy biến áp, được chế tạo từ những vật liệu dẫn từ tốt, thường là lá thép kỹ thuật điện. Lõi thép gồm hai bộ phận: - Trụ: là nơi để đặt dây quấn. - Gông: là phần khép kín mạch từ giữa các trụ. Trụ và gông tạo thành mạch từ khép kín. Để giảm dòng điện xoáy trong lõi thép, người ta dùng thép lá kỹ thuật điện (dày khoảng 0,35mm đến 0,5mm, mặt ngoài có sơn cách điện ) ghép lại với nhau thành lõi thép. Các dạng lá thép kỹ thuật điện thường sử dụng có hình chữ U, E, I như hình vẽ: Hình 5-4. Hình dạng lá thép kỹ thuật điện 107 Chương 5. Máy biến áp b) Dây quấn máy biến áp. Dây quấn máy biến áp thường được chế tạo bằng dây đồng (hoặc nhôm), có tiết diện tròn hoặc hình chữ nhật, bên ngoài dây dẫn có bọc cách điện. a φ b Hình 5-5. Mặt cắt ngang dây quấn máy biến áp Dây quấn gồm nhiều vòng dây và được lồng vào trụ lõi thép. Giữa các vòng dây, giữa các dây quấn có cách điện với nhau và dây quấn có cách điện với lõi thép. Máy biến áp thường có hai hoặc nhiều dây quấn. Khi các dây quấn đặt trên cùng một trục thì thông thường dây quấn điện áp thấp được đặt sát trụ thép, các dây quấn khác đăt lồng ra bên ngoài, làm như vậy để giảm được vật liệu cách điện Để làm mát và tăng cường cách điện cho máy biến áp, người ta thường đặt lõi thép và dây quấn trong một thùng dầu máy biến áp. Máy biến áp công suất lớn, vỏ thùng dầu có cánh tản nhiệt, ngoài ra còn có các đầu sứ để nối các đầu dây quấn ra ngoài, bộ phận chuyển mạch để điều chỉnh điện áp, rơle hơi để bảo vệ máy. 5.2.2. Nguyên lý làm việc: Nguyên lý làm việc của máy biến áp dựa trên cơ sở của hiện tượng cảm ứng điện từ. Nếu đặt vào cuộn dây sơ cấp của máy biến áp một dòng điện xoay chiều với điện áp U1, dòng điện xoay chiều qua cuộn dây sẽ tạo ra trong mạch từ một từ thông φ. Do mạch từ khép kín nên từ thông này móc vòng qua các cuộn dây của máy biến áp và sinh ra trong đó sức điện động. dφ Với cuộn sơ cấp là: e1 = - N1 (5-3) dt dφ Với cuộn thứ cấp là: : e2 = - N2 (5-4) dt Hình 5-6. Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy biến áp Giả sử từ thông của máy biến áp biến đổi hình sin đối với thời gian: φ = φmaxsinωt (Wb) (5-5) 108 Chương 5. Máy biến áp Sau khi lấy đạo hàm và thay vào phương trình 5-3 ta được: e1 = - ωN1 φmaxcosωt Vì cosωt = - sin(ωt – 900 ) Nên e1 = ωN1 φmax sin(ωt – 900 ) (5-6) 0 Biểu thức này chỉ rõ sức điện động e1 chậm pha so với từ thông φ một góc 90 . Trị số cực đại của sức điện động E1max: E1max = ωN1 φmax (5-7) Chia E1max cho 2 và thay ω = 2Πf, ta được biểu thức của sức điện động hiệu dụng sơ cấp: E 2Πf N1 φmax = 4,44fN1φmax E1 = 1max = (5-8) 2 2 Thực hiện thay thế, tính toán tương tự đối với phương trình 5-4 ta được biểu thức sức điện động hiệu dụng của cuộn thứ cấp như sau: (5-9) E2 = 4,44fN2 φmax Khi máy biến áp không nối với tải, dòng điện trong cuộn thứ cấp I2 = 0, sức điện động sơ cấp thực tế gần bằng điện áp sơ cấp E1 ≈ U1 và sức điện động thứ cấp gần bằng điện áp thứ cấp E2 = U20 (U20 là điện áp thứ cấp không tải). Tỷ số các sức điện động trong cuộn dây của máy biến áp một pha, tức là tỷ số điện áp của nó khi không có tải, được rút ra từ biểu thức 5-8 và 5-9, bằng tỷ số vòng dây của các cuộn dây. Tỷ số này kí hiệu bằng chữ k và gọi là tỷ số biến áp: E U N k= 1 = 1 = 1 E2 U 20 N2 - Nếu N1 > N2 suy ra k > 1 , U1 > U2, máy biến áp hạ áp. - Nếu N1 < N2 suy ra k < 1 , U1 < U2, máy biến áp tăng áp. Khi nối cuộn dây thứ cấp với tải, nếu bỏ qua tổn hao trong máy biến áp, có thể coi gần đúng quan hệ giữa các đại lượng sơ cấp và thứ cấp như sau: U1I1 = U2I2 U1 I 2 = =k Hoặc: U 2 I1 §5.3. QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MÁY BIẾN ÁP 5.3.1. Quá trình điện từ trong máy biến áp: Hình 5.7 109 Chương 5. Máy biến áp Ta xét máy biến áp một pha hai dây quấn như hình 5-8. Khi đặt vào cuộn dây sơ cấp một điện áp xoay chiều u1 thì trong đó sẽ có dòng điện i1 chạy qua. Nếu phía thứ cấp có tải thì sẽ có dòng điện i2 chạy qua. Những dòng điện i1 và i2 sẽ tạo nên các sức từ động i1N1 và i2N2. Phần lớn từ thông do i1N1 và i2N2 sinh ra được khép mạch qua lõi thép móc vòng với cả dây quấn sơ cấp và thứ cấp và được gọi là từ thông chính φ. Từ thông chính gây nên trong các dây quấn sơ cấp và thứ cấp những sức điện động chính là: dψ dφ e1 = − N 1 =− 1 dt dt (5-10) dψ 2 dφ e2 = − N 2 =− dt dt Trong đó: ψ 1 = N 1φ và ψ 2 = N 2φ là từ thông móc vòng với dây quấn sơ cấp và thứ cấp ứng với từ thông chính φ. Còn một phần rất nhỏ từ thông do các sức từ động i1N1 và i2N2 sinh ra bị tản ra ngoài lõi thép và khép mạch qua không khí hay dầu gọi là từ thông tản. Từ thông tản cùng gây nên các sức điện động tản tương ứng: dφ dψ σ 1 eσ 1 = − N 1 σ 1 = − dt dt (5-11) dφσ 2 dψ σ 2 =− eσ 2 = − N 2 dt dt 5.3.2. Phương trình cân bằng điện áp cuộn sơ cấp: Xét mạch điện sơ cấp gồm : u1 , e1 , điện trở dây quấn R1 , L1 Áp dụng định luật Kirchhoff 2 cho vòng mạch: - Viết dưới dạng trị số tức thời: di R1 .i1 + L1 . 1 = u1 + e1 dt di u1 = R1 .i1 + L1 . 1 − e1 dt - Viết dưới dạng phức: R1 i1 ~ L1 e1 u1 Hình 5-8 U& 1 = R1 .I&1 + j . X1 .I&1 − E& 1 = Z1 .I&1 − E& 1 Với: ~ (5-12) Z1 = R1 + j.ω .L1 = R1 + j. X1 X1 = ω .L1 là điện kháng tản của dây quấn sơ cấp 5.3.3. Phương trình cân bằng điện áp cuộn thứ cấp: Xét mạch điện thứ cấp gồm : e2 , điện trở dây quấn R2 , L2 Áp dụng định luật Kirchhoff 2 cho vòng mạch: - Viết dưới dạng trị số tức thời: di R2 .i2 + L2 . 2 + u2 = −e2 dt di u2 = −e2 − R2 .i2 + L2 . 2 dt i2 ~ R2 L2 u2 e2 Zt Hình 5-9 110 Chương 5. Máy biến áp - Viết dưới dạng phức: U& 2 = − E& 2 − R2 .I&2 + j. X 2 .I&2 = − E& 2 − Z2 .I&2 = Ztaûi .I&2 (5-13) Với: Z 2 = R2 + j.ω .L2 = R2 + j. X 2 X 2 = ω .L2 là điện kháng tản của dây quấn thứ cấp 5.3.4. Phương trình cân bằng sức từ động: - Vì điện trở cuộn dây sơ cấp nhỏ nên sụt áp R1.I1 nhỏ hơn nhiều E1 nên có thể xem gần đúng U1 ≈ E1 . - Vì U1 = const nên E1 = const ⇒ φmax = const • Ở chế độ không tải φ = φ0 = i0 .W1 , trong đó i0 là dòng không tải của sơ cấp. • Ở chế độ có tải φ = i1 .W1 − i2 .W2 • φmax = const nên sức từ động lúc không tải bằng sức từ động lúc có tải i0 .W1 = i1 .W1 − i2 .W2 Chia 2 vế cho W1 W i i0 = i1 − i2 . 2 = i1 − 2 = i1 − i'2 W1 k Hoặc i1 = i0 − i'2 i i'2 = 2 là dòng điện i2 đã qui đổi về phía sơ cấp k - Phương trình sức từ động viết dưới dạng phức: I&1 = I&0 + I&' 2 (5-14) Phương trình sức từ động cho ta thấy rõ quan hệ giữa dòng điện sơ cấp và thứ cấp. Hệ 3 phương trình điện áp sơ cấp, điện áp thứ cấp và sức từ động ta có mô hình toán học của MBA. §5.4. MẠCH ĐIỆN THAY THẾ MÁY BIẾN ÁP Từ Mô hình toán U& 1 = Z 1 .I&1 − E&1 (5 − 12) & (5 − 13) U 2 = − E& 2 − Z 2 .I&2 I& = I& + I& (5 − 14) '2 0 1 Ta xây dựng Mô hình mạch là mạch điện thay thế phản ánh đầy đủ quá trình năng lượng trong MBA, giúp thuận lợi cho việc tính toán, thí nghiệm và nghiên cứu MBA. 5.4.1. Qui đổi các đại lượng thứ cấp về sơ cấp: Nhân (5-13) với k, ta được: I& k.U& 2 = −k.E& 2 − k.Z2 .I&2 = − k.E& 2 − k2 .Z2 . 2 k & & & Đặt: E'2 = k.E2 = E1 U& ' = k.U& 2 2 Z '2 = k .Z2 R'2 = k .R2 Phương trình (5-15) trở thành: 2 2 X '2 = k . X 2 2 (5-15) (5-16) (5-17) (5-18) 111 Chương 5. Máy biến áp U& '2 = − E& 1 − Z '2 .I&'2 U& 2 = Zt .I&2 nhân (5-13) vế với k, ta được I& k.U& 2 = k.Z t .I&2 = k2 .Zt . 2 k & & ⇔ U 2 = Z 't . I '2 Mặt khác: (5-19) Trong đó: Z 't = k 2 .Z t ; R't = k 2 .Rt ; X 't = k 2 . X t (5-20) I& I&'2 = 2 (5-21) k - Phương trình (5-19) là phương trình điện áp thứ cấp qui đổi về sơ cấp. - (5-16), (5-17), (5-18), (5-19), (5-20) và (5-21) là các công thức qui đổi các đại lượng thứ cấp về sơ cấp. 5.4.2. Mạch điện thay thế máy biến áp: Xét MBA trường hợp không tải, ta thấy ngoài một lượng tổn hao do sụt áp trên dây quấn sơ cấp, trong MBA còn tổn hao một lượng năng lượng để từ hóa lõi thép. Khi không tải: phương trình điện áp sơ cấp U& 1 = Z1 .I&1 − E& 1 • Trong đó: Z .I& là sụt áp trên dây quấn sơ cấp 1 1 − E& 1 chính là sụt áp trên tổng trở từ hóa Zth . Đặc trưng cho quá trình từ hóa lõi thép là từ thông chính φ do I0 sinh ra, nên: − E& = − Z .I& = ( R + j. X ).I& 1 th th 0 th 0 Ø Rth : là điện trở từ hóa đặc trưng cho tổn hao sắt từ ∆Pst = Rth .I0 Ø Tổn hao sắt từ: Mô hình toán của MBA bây giờ trở thành: U& 1 = Z 1 .I&1 + Z th .I&0 (5 − 22) & & & (5 − 23) U ' 2 = Z th .I 0 − Z ' 2 .I ' 2 & & & (5 − 24) I 1 = I 0 + I ' 2 Hệ (5-22), (5-23), (5-24) chính là hệ của 2 phương trình Kirchhoff 2 và 1 phương trình Kirchhoff 1 viết cho mạch có dạng hình 5-6 (a) 2 R1 R’2 X1 . I1 X’2 . I’2 Rth . ~U1 Z’t R1 . U’2 Xth . I0 a) Hình 5-10 R’2 X1 . ~U1 X’2 Z’t b) 112 Chương 5. Máy biến áp - Nhánh có Zth = Rth + jXth gọi là nhánh từ hóa. - Thông thường, Zth rất lớn nên I0 rất nhỏ. Nếu bỏ qua nhánh từ hóa, ta có sơ đồ thay thế gần đúng của MBA như hình 5-6 (b). • Trong đó: Rn = R1 + R'2 X n = X 1 + X '2 §5.5. XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ MÁY BIẾN ÁP 5.5.1. Thí nghiệm không tải: - Để xác định tỷ số k của MBA, tổn hao sắt từ và các thông số của máy ở chế độ không tải. - Sơ đồ mạch thí nghiệm như hình 5-11 Hình 5.11 - Ta có các số liệu sau: • Watt kế chỉ công suất không tải: P0 ≈ ∆Pst • Ampe kế chỉ dòng không tải: I0 • Các Vôn kế V1 và V2 chỉ các giá trị U10 và U20 . Từ các số liệu trên ta tính được: Ø Tỷ số MBA k: W E U k= 1 = 1 ≈ 1 W2 E2 U 20 Ø Dòng điện không tải phần trăm: I0% I I0 % = 0 .100 = 3% ÷ 10% I ñm Ø Điện trở không tải: R0 P R0 = 20 = R1 + Rth I 0 Vì Rth 〉〉 R1 nên lấy gần đúng R0 ≈ Rth Ø Tổng trở không tải: Z0 U Z0 = 1ñm Gần đúng: Z0 = Zth I0 113 Chương 5. Máy biến áp Ø Điện kháng không tải: X0 X0 = Z0 − R0 2 2 Gần đúng: X 0 = X th Ø Hệ số công suất không tải: Cosϕ0 P0 Cosϕ 0 = = 0,1 ÷ 0,3 U1ñm .I0 5.5.2. Thí nghiệm ngắn mạch: - Để xác định tổn hao trên dây quấn (tổn hao đồng) và xác định các thông số của sơ cấp và thứ cấp. - Sơ đồ mạch thí nghiệm như hình 5-12 Hình 5.12 - Điều chỉnh điện áp thí nghiệm Un đặt lên sơ cấp MBA bằng 1 bộ điều chỉnh điện áp. - A1, A2 chỉ dòng điện ngắn mạch sơ cấp và thứ cấp I1n và I2n. - Vôn kế chỉ điện áp ngắn mạch sơ cấp Un. - Watt kế chỉ công suất ngắn mạch Pn ≈ ∆Pcu - Lúc ngắn mạch: U2 = 0, do đó Un là điện áp ngắn mạch rơi trên điện trở dây quấn. Vì Un << nên φ <<, có thể bỏ qua tổn hao sắt từ. Ø Điện trở ngắn mạch: Rn P Rn = 2 n (5-25) I 1ñm Ø Tổng trở ngắn mạch: Zn U (5-26) Zn = n I1ñm Ø Điện kháng ngắn mạch: Xn X n = Z n − Rn (5-27) Để tính các thông số của dây quấn MBA, ta dùng các công thức gần đúng sau: R X R1 ≈ R'2 = n X 1 ≈ X '2 = n 2 2 Nếu biết tỷ số k, ta tính được thông số dây quấn thứ cấp khi chưa qui đổi: R' X' R2 = 22 X 2 = 22 k k 2 2 Ø Điện áp ngắn mạch tác dụng %: UnR% 114 Chương 5. Máy biến áp U nR % = Rn .I1ñm .100 = U n %.Cosϕ n U1ñm (5-28) Ø Điện áp ngắn mạch phản kháng %: UnX% U nX % = X n .I1ñm .100 = U n %.Sinϕ n U1ñm (5-29) 5.5.3. Hiệu suất máy biến áp: v Khi MBA làm việc, có các tổn hao sau: - Tổn hao trên điện trở dây quấn sơ cấp và thứ cấp, gọi là tổn hao đồng. Tổn hao đồng phụ thuộc vào dòng tải. ∆Pcu = I1 .R1 + I 2 .R2 = I1 .( R1 + R'2 ) 2 ∆Pcu = I1 .Rn = kt .I 21ñm .Rn 2 2 kt = Trong đó: Kt gọi là hệ số tải I2 I 2 ñm = I1 I1ñm ⇒ ∆Pcu = kt .Pn 2 - Tổn hao sắt từ do dòng điện xoáy và từ trễ gây ra. Tổn hao sắt từ chỉ phụ thuộc vào từ thông chính, nghĩa là phụ thuộc vào điện áp. ∆Pst ≈ P0 v Hiệu suất của MBA: η= P2 P2 = P1 P2 + ∆Pst + ∆Pcu (5-30) - P2 là công suất tác dụng ở đầu ra (tải tiêu thụ). P2 = S2 . cos ϕ taûi = k t .Sñm . cos ϕtaûi ⇒ kt = Vậy: I2 I 2ñm η= = S2 Sñm k t .Sñm . cos ϕtaûi 2 k t .Sñm . cos ϕtaûi + P0 + k t .Pn (5-31) - Nếu cos ϕtaûi = const , hiệu suất cực đại khi ∆Pcu = ∆Pst P0 Pn - Đối với MBA công suất trung bình và lớn, hiệu suất cực đại khi - Hiệu suất cực đại khi: k t .Pn = P0 ⇔ k t = 2 (5-33) kt = 0,5 ÷ 0,7 và hiệu suất thay đổi không đáng kể trong phạm vi 0,4< kt <1,2 115 Chng 5. Mỏy bin ỏp Đ5.6. MY BIN P BA PHA 5.6.1. Cu to thc hin bin i in ỏp trong h thng dũng in ba pha, ngi ta cú th s dng ba mỏy bin ỏp mt pha nh hỡnh 5-13a, hoc dựng mỏy bin ỏp ba pha nh hỡnh 5-13b. Hỡnh 5-13. S ủo caỏu taùo maựy bieỏn aựp ba pha V cu to, lừi thộp ca mỏy bin ỏp ba pha gm ba tr nh hỡnh 5-13b. Dõy qun s cp ký hiu bng ch in hoa: Pha A ký hiu l A X. Pha B l B Y. Pha C l C Z. Dõy qun th cp ký hiu bng cỏc ch in thng: pha a l a x, pha b l b y, pha c l c z. Dõy qun s cp v th cp cú th ni hỡnh sao hoc tam giỏc. Nu s cp ni hỡnh sao, th cp ni hỡnh tam giỏc ta ký hiu l /. Nu s cp ni hỡnh sao, th cp ni hỡnh sao cú dõy trung tớnh thỡ ta ký hiu l Y/Y0. Gi s vũng dõy mt pha s cp l N1, s vũng dõy mt pha th cp l N2, t s in ỏp pha gia s cp v th cp s l: U P1 N 2 = U P 2 N1 (5-33) T s in ỏp dõy khụng nhng ph thuc vo t s s vũng dõy m cũn ph thuc vo cỏch ni hỡnh sao hay tam giỏc. Khi ni / ( hỡnh 5-14a), bờn s cp ni tam giỏc nờn ta cú Ud1 = Up1, th cp ni hỡnh sao ta cú Ud2 = 3 Up2 . Vy t s in ỏp dõy l: U p2 U d1 N1 = = (5-34) U d 2 U P1 3. N 2 3 Khi ni / ( hỡnh 5-12b), s cp cú Ud1 = Up1 v th cp cú Ud2 = Up2 cho nờn: U d 1 U p 2 N1 = = U d 2 U P1 N 2 Khi ni Y/Y ( hỡnh 5-12c), s cp cú Ud1 = (5-35) 3 Up1 v th cp cú Ud2 = 3 Up2 cho nờn: 116 Chương 5. Máy biến áp U d 1 U p 2 3 N1 = = U d 2 U P1 3 N 2 (5-36) Khi nối Y/∆ ( hình 5-12d), sơ cấp có Ud1 = 3 Up1 và thứ cấp có Ud2 = Up2 cho nên: U d1 U p 2 3 3N1 = = (5-37) Ud2 U P1 N2 Ơ trên ta mới chú ý đến tỷ số điện áp dây, trong thực tế khi có nhiều máy biến áp làm việc song song với nhau, ta phải chú ý đến góc lệch pha giữa điện áp dây sơ cấp và điện áp dây thứ cấp. Vì thế khi ký hiệu tổ đấu dây của máy biến áp, ngoài ký hiệu đấu các dây quấn ( hình sao hoặc tam giác), còn ghi thêm chữ số kèm theo để chỉ góc lệch pha giữa điện áp dây sơ cấp và thứ cấp. B A C A X Y Z X a b c a x y z x a) B Y a) c)b y b) C A B C Z X Y c a x z A B C Z X b) Y Z b c a d) b c y z x c) y z d) Hình 5-14. Các sơ đồ nối dây máy biến áp ba pha. 5.6.2. Tổ nối dây máy biến áp ba pha: Khi vận hành nhiều MBA 3 pha song song với nhau, ngoài ký hiệu cách đấu dây ta còn phải chú ý đến góc lệch pha giữa điện áp sơ cấp và thứ cấp. Vì vậy nên sau ký hiệu đấu dây người ta còn ghi thêm một chỉ số chỉ góc lệch pha. Ví dụ: o Y/Y – 12 nghĩa là: sơ cấp đấu Y, thứ cấp đấu Y, góc lệch pha giữa điện áp dây sơ cấp và thứ cấp là = 12 x 30o = 360o . o Y/∆ - 11 nghĩa là: sơ cấp đấu Y, thứ cấp đấu ∆, góc lệch pha giữa điện áp dây sơ cấp và thứ cấp là = 11 x 30o = 330o . 117 Chương 5. Máy biến áp Hình 5-15 §5.7. MÁY BIẾN ÁP LÀM VIỆC SONG SONG Trong hệ thống điện, trong các lưới điện, các máy biến áp thường làm việc song song với nhau. Nhờ làm việc song song, công suất lưới điện lớn rất nhiều so với công suất mỗi máy, đảm bảo nâng cao hiệu quả kinh tế của hệ thống và an toàn cung cấp điện, khi một máy hỏng hóc hoặc phải sửa chữa. Điều kiện để cho các máy làm việc song song là: a) Điện áp định mức sơ cấp và thứ cấp của mỗi máy phải bằng nhau tương ứng U1I = U1II U2I = U2II Nghĩa là kI = kII Trong đó kI là hệ số biến áp của máy I. kII là hệ số biến áp của máy II. Trong thực tế, cho phép hệ số biến áp k của các máy khác nhau không quá 0,5%. b) Các máy phải có cùng tổ nối dây Ví dụ: không cho phép hai máy có tổ nối dây Y/∆ - 11 và Y/Y – 12 làm việc song song với nhau vì điện áp thứ cấp của hai máy này không trùng pha nhau. Điều kiện 1 và 2 đảm bảo cho không có dòng điện cân bằng lớn chạy quẩn trong các máy do sự chênh lệch điện áp thứ cấp của chúng. c) Điện áp ngắn mạch của các máy phải bằng nhau UnI% = UnII% = ... Trong đó UnI% là điện áp ngắn mạch phần trăm của máy I. UnII% là điện áp ngắn mạch phần trăm của máy II. 118 Chương 5. Máy biến áp Cần đảm bảo điều kiện này, để tải phân bố trên các máy tỷ kệ với công suất định mức của chúng. Nếu không đảm bảo điều kiện thứ 3, ví dụ UnI% < UnII% thì khi máy I nhận tải định mức, máy II còn non tải. Thật vậy ở trường hợp này, dòng điện máy I đạt định mức Iđm, điện áp rơi trong máy I là IIđm.ZnI, dòng điện máy II là III, điện áp rơi trên máy II là III.ZnII. vì hai máy làm việc song song, điện áp rơi trong hai máy phải bằng nhau, ta có: IIđm.ZnI = III.ZnII (5-38) ZnI, ZnII là tổng trở ngắn mạch của máy I và II. vì UnI% < UnII% do đó: IIđm.ZnI < IIIđm.ZnII So sánh (5-38) với (5-39) ta có: III < IIIđm (5-39) Dòng điện máy II nhỏ hơn định mức,vậy máy II đang non tải,trong khi máy I đã định mức. nếu máy II tải định mức thì máy I sẽ quá tải. Trong thực tế cho phép điện áp ngắn mạch của các máy sai khác nhau 10%. Hệ số tải của mỗi máy khi làm việc song song βi : βi = Si = S idm S (5-40) S u ni %.Σ idm u ni % Si là công suất của máy biến áp thứ i cung cấp cho tải. Tải Siđm là công suất định mức của máy biến áp thứ i. A B C S là tổng công suất truyền tải của các máy. Hình 5-16 giới thiệu sơ đồ hai máy biến Máy 1 áp ba pha làm việc song song. Máy 2 Nguồn Máy phát Hình 5-16. Sơ dồ hai máy biến áp làm việc song song 119 Chương 5. Máy biến áp §5.8. CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 5 1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy biến áp 2. Mô hình toán học của máy biến áp 3. Qui đổi và sơ đồ thay thế máy biến áp 4. Thí nghiệm không tải và thí nghiệm ngắn mạch 5. Cách xác định các thông số máy biến áp bằng số liệu thí nghiệm 6. Tổn hao và hiệu suất của máy biến áp §5.9. BÀI TẬP CHƯƠNG 5 Bài 5-1: Máy biến áp 1 pha có Sđm =700kvA, U1đm = 35KV, U2đm = 0,4KV, P0 = 502W, Pn = 1200W. - Tính dòng điện định mức trong dây quấn sơ cấp và thứ cấp. - Tính hệ số tải khi hiệu suất cực đại. Tính hiệu suất cực đại đó biết cosϕ = 0,8. Giải Sđ m = U1đ m . I1đ m = U2đ m . I2đ m S 700 v I1đ m = ñm = = 20 A U 1ñm 35 S 700 v I2đ m = ñm = = 1750 A U 2ñm 0,4 v β = kt = P0 502 = 0,647 = Pn 1200 v η= k t Sñm cos φ k t S ñm cos φ + P0 + k t2 Pn = 0,997 Bài 5-2: Máy biến áp 1 pha có U1đm = 35KV, U2đm = 0,4KV, I2đm = 150A, P0 = 0,5KW, I0% = 10%, Pn = 1,2KW. Tính: công suất biểu kiến định mức, công suất biểu kiến không tải và công suất biểu kiến khi hiệu suất cực đại. Giải Sđm = U1đm . I1đm = U2đm . I2đm = 0,4 . 150 = 60 KVA S 60 = 1, 714 A v I1đm = ñm = U 1ñm 35 I % 10 v I0 = 0 ⋅ I 1ñm = ⋅ 1,714 = 0,171 A 100 100 v S0 = U1đm . I0 = 35 . 0,171 = 5,985 KVA Khi hiệu suất cực đại P0 0,5 v β = kt = = 0,645 = Pn 1,2 S2 I = 1 I 2ñm S ñm I 1ñm ⇒ S2 = kt . Sđm = 0,645 . 60 = 38,7 KVA v kt = I2 = 120 Chương 5. Máy biến áp Bài 5-3: Máy biến áp 1 pha có R1 = 200Ω, R2 = 2Ω, điện kháng XL1 = 1570Ω, XL2 = 15,7Ω; W1 = 10 , sơ cấp máy biến áp nối với máy phát sin có điện trở trong Rtr = 1600Ω, sức điện động W2 E = 120V, thứ cấp nối với tải có Rtải = 18Ω. 1. Xác định công suất tải tiêu thụ. 2. Xác định điện áp đặt lên tải. R1 XL1 R '2 X 'L 2 I '2 Rtr R 't E Giải Qui đổi các đại lượng thứ cấp về sơ cấp v R '2 = k2. R2 = 102. 2 = 200 Ω v X 'L 2 = k2. XL2 = 102. 15,7 = 1570 Ω v R 't = k2 . Rt = 102 . 18 = 1800 Ω I '2 = = E (R tr + R 1 + R + R 't ) 2 + ( X L1 + X 'L 2 ) 2 ' 2 120 (1600 + 200 + 200 + 1800) 2 + (1570 + 1570) 2 = 0,0243 A v I2 = K . I '2 = 10 . 0,0243 = 0,243 A v Pt = I 22 . Rt = 0,243 2 . 18 = 1,063 W v U2 = I2 . Rt = 0,243 . 18 = 4,374 (V) Bài 5-4: Máy biến áp 3 pha có Sđm =450kva, U1đm = 35KV, U2đm = 0,4KV, P0 =5020W, I0% = 5%, Un% = 8%, Pn = 12KW. Tính:dòng điện trong dây quấn sơ cấp và thứ cấp khi hiệu suất cực đại. Lời giải: Khi hiệu suất cực đại P0 5,02 v β = kt = = 0,647 = Pn 12 v I1đm = Sñm 3U 1ñm = 450 = 7,423 A 3 .35 121 Chương 5. Máy biến áp S ñm v I2đm = 3U 2ñm I S v kt = 2 = 2 I 2ñm S ñm 450 = 649,52 A 3.0,4 I = 1 I 1ñm = ⇒ I1 = kt . I1đm = 0,647 . 7,423 = 4,8A ⇒ I2 = kt . I2đm = 0,647 . 649,52 = 420 A Bài 5-5: Máy biến áp 1 pha Sđm = 150KVA; U1đm = 2400V; U2đm = 240V; R1 = 0,2 Ω; X1 = 0,45 Ω; R2 = 2 mΩ; X2 = 4,5 mΩ a.Tính Rn; Xn; I1đm; I2đm b.Tính Pn; P0 biết rằng khi cosϕ = 0,85; hệ số K = 1; hiệu suất η = 0,98 Giải U 2400 v kba = 1ñm = = 10 U 2ñm 240 R '2 = K2. R2 = 102. 2 = 200 mΩ = 0,2 Ω Rn = R1 + R '2 = 0,2 + 0,2 = 0,4 Ω X '2 = K2. X2 = 102 . 4,5 = 450 mΩ = 0,45 Ω Xn = X1 + X '2 = 0,45 + 0,45 = 0,9 Ω S 150 .10 3 v I1đ m = ñm = = 62,5 A U 1ñm 2400 v v v v v I2đ m = S ñm 150 . 103 = 625A = U 2ñm 240 2 v Pn = Rn . I 1ñm = 0,4 . 62,52 = 1562,5 W v P0 = Sñm cos φ – Sđ m. cosϕ – Pn = 1039,5 W ≈ 1,04 Kw η Bài 5-6: Một MBA 1 pha cung cấp điện cho tải có Ut = 220V, It = 30A, cosφt = 0,8 (có R, L). Cho biết tổn hao đồng của 2 dây quấn Pđ1 + Pđ2 = 200W, tổn hao sắt từ Pst = 45W, công suất phản kháng cần thiết để tạo ra từ thông chính Q0=214VAr. Công suất phản kháng để tạo ra từ thông tản sơ và thứ cấp 310VAr. Xác định công suất tác dụng và phản kháng của nguồn cung cấp cho MBA và hệ số công suất phía sơ cấp của MBA. Giải Công suất tác dụng của tải: Pt = Ut*It*cosφt = 220*30*0,8 = 5280W Công suất phản kháng của tải: Qt = Ut*It*sinφt = 220*30*0,6 = 3960VAr Công suất tác dụng nguồn cung cấp cho MBA: P1 = Pt + Pst + Pd1 + Pd2 = 5280 + 5 + 200 = 5525W Công suất phản kháng nguồn cung cấp cho MBA: Q1 = Qt + Q0 + Qtản = 3960 + 214 + 310 = 4484VAr Công suất biểu kiến sơ cấp: S1 = ( P1 + Q 1 ) = (5525 2 + 4484 2 ) = 4115,6VA Hệ số công suất sơ cấp: 2 2 122 Chương 5. Máy biến áp Cosφ1 = Pt 5525 = = 0,776 S t 7115,6 Bài 5-7: Một MBA 1 pha có thông số dây quấn sơ cấp và thứ cấp như sau: R1 = 0,5835Ω, X1 = 4,4Ω, R2 = 0,037Ω, X2 = 0,42Ω. Thí nghiệm không tải có các kết quả như sau: U10 = 20210V, U20 = 6600V, I0 = 12,3A, P0 = 26600W. Hãy tính các thông số của sơ đồ thay thế. Giải 20210 U10 = = 3,062. 6600 U 20 Thông số dây quấn thứ cấp qui đổi về phía sơ cấp: Điện trở R2/ = R2* k2 = 0,037*(3,062)2 = 0,347Ω Điện kháng X2/ = X2* k2 = 0,42*(3,062)2 = 3,Ω Điện trở từ hoá: P 26600 Rth = 02 - R1 = - 0,037 = 175Ω (12,3)2 I0 Điện kháng từ hoá: U Xth = ( ) 2 − ( Rth + R1 )2 - X1 = 1629Ω I0 Hệ số biến áp k = Khi tính toán ta có thể lấy gần đúng: P Rth = 02 = 176Ω I0 Xth = U ( ) 2 − ( Rth + R1 )2 = 1633Ω I0 Bài 5-8: Thông số của một MBA một pha: Sđm = 25kVA; U1đm = 380V; U2đm = 127V; Điện áp ngắn mạch phần trăm un% = 4%. Hãy tính: 1/- Dòng điện định mức. 2/- Dòng điện ngắn mạch khi đặt điện áp định mức và 70% định mức vào cuộn sơ cấp, cuộn hạ áp ngắn mạch. 3/- Dòng điện ngắn mạch khi đặt điện áp định mức vào cuộn hạ áp, cuộn cao áp ngắn mạch. Giải 1/- Dòng điện định mức trong hai dây quấn: I1dm = S dm 25000 = = 65,79A. 380 U 1dm 123 Chương 5. Máy biến áp S dm 25000 = = 196,85A. 127 U 2dm 2/- Khi đặt điện áp định mức 380V vào cuộn cao áp, cuộn hạ áp ngắn mạch: Gọi U1n là điện áp ngắn mạch khi thí nghiệm bởi dòng điện định mức. Dòng điện ngắn mạch ở cuộn sơ cấp khi đặt điện áp định mức vào cuộn sơ cấp là: I U I U I1n = I1dm 1dm = 1dm = 1dm trong đó un = 1n là điện áp ngắn mạch tương đối. U 1n U 1n un U 1dm U 1dm Dòng điện ngắn mạch trong cuộn thứ cấp: I2dm = I W1 W I I1n = 1 1dm = 2 dm W2 W 2 un un Tổng quát ta có: I In = dm (1) un Thay số vào ta có: Khi đặt điện áp định mức: I 65,79 I1n = 1dm = = 1644,75A. 0,04 un I2n = I 2 dm 196,85 = = 4927A 0,04 un Khi đặt điện áp 70% định mức: I1n = 1644,75 *0,7 = 1151,32A I2n = 4927* 0,7 = 3448,9A. I2n = 3/- Khi đặt điện áp định mức 127V vào cuộn hạ áp, cuộn cao áp ngắn mạch: Áp dụng công thức tổng quát (1) ta được kết quả như trên nghĩa là dòng điện ngắn mạch trong mỗi dây quấn vẫn không đổi dù ngắn mạhc ở phía nào. I Từ công thức (1) In = dm cho thấy rằng MBA có un nhỏ dòng điện ngắn mạch lớn. Với un un = 0,04 dòng điện ngắn mạch lớn hơn dòng điện định mức 25 lần Bài 5-9: Một MBA 3 pha nối sao/tam giác có các thông số kỹ thuật như sau: Sđm = 60kVA; U1đm = 35kV; U2dm = 400V; i0% = 11%; ; un% = 4,55%; P0 = 520W; Pn=1200W. Tình dòng điện định mức, dòng điện không tải, hệ số công suất không tải, điện áp ngắn mạch un% hệ số công suất ngắn mạch cosφn,. Thông số sơ đồ thay thế. Giải Dòng điện định mức: 124 Chương 5. Máy biến áp I1dm = I2dm = S dm 3U 1dm S dm = = 60000 3 * 35 *1000 = 1A. 60000 = 8,66A. 3 * 400 3U 2 dm Dòng điện không tải: I % I0 = I1dm 0 = 0,11A 100 Hệ số công suất khi không tải: P0 502 Cosφ0 = = = 0,075. 3U 0I 0 3 * 35000 * 0,11 Điện áp ngắn mạch dây: U % 4,55 = 1592V. u1nd = U1dm n = 35000 100 100 Điện áp ngắn mạch pha: U % 35000 4,55 u1nf = U1fdm n = = 919,5V. 100 3 100 Hệ số công suất ngắn mạch: 1200 Pn = = 0,435. 3U 1n 3 *1592 Thông số sơ đồ thay thế: * Điện trở từ hoá: P0 f P0 502 Rth ≡ 2 = = = 138,29Ω. 2 3I 0 3 * 0,112 I 0 * Tổng trở từ hoá: U1 f U 35000 Zth = = 1dm = = 183707Ω. 3I 0 I0 3 * 0,11 * Điện kháng từ hoá: Cosφn = Xth = (Z 2 th − R 2 th ) = 183185Ω. * Điện trở ngắn mạch: Pnf Pn 1200 Rn = 2 = = = 400Ω. 2 2 I 1 fdm 3I 1 dm 3 *1 * Tổng trở ngắn mạch: U 1nf 919,5 Zn = = = 919,5Ω 1 I1 dm * Điện kháng ngắn mạch: (Z 2 n − R 2 n ) = (919,5 2 − 400 2 ) = 828Ω. R 400 Coi R1 = R2/ = n = = 200Ω 2 2 Xn = 125 Chương 5. Máy biến áp 828 = 414Ω 2 Nếu tính thông số thứ cấp chưa qui đổi cần tính hệ số biến áp pha: W1 f 35000 U1dm Kf = = = = 50,5. W 2f 3 * 400 3U 2 dm Thông số dây quấn thứ cấp chưa qui đổi: 200 R/2 R2 = 2 = = 0,078Ω. (50,5)2 k f x1 = x2/ = 414 X /2 X2 = 2 = = 0,162Ω (50,5)2 k f Bài 5-10: Máy biến áp 1 pha có R1 = 200Ω, R2 = 2Ω, điện cảm tản L1 = 50mH, L2 = 0,5mH; W1 = 10 , sơ cấp máy biến áp nối với máy phát sin có f = 5000Hz, điện trở trong Rtr = 1600Ω, W2 sức điện động E = 100V, thứ cấp nối với tải có Rtải = 16Ω. a) Xác định công suất tải tiêu thụ. b) Xác định điện áp đặt lên tải. Đáp số: Ptải = 0,7W; U2 = 3,348 V Bài 5-11: Một máy biến áp 1 pha có: Sđm = 150KVA, U1đm = 2400V, U2đm = 240V. Điện trở R1 = 0,2Ω, R2 = 2mΩ. Khi máy làm việc với tải R, L, hệ số tải Kt = 0,8 và hệ số cosϕt = 0.80 thì hiệu suất của máy η = 0,98. Tính: Tổn hao ngắn mạch Pn và tổn hao không tải P0 của máy. Bài 5-12: Máy biến áp 3 pha có U1đm = 35KV, U2đm = 0,4KV, I2đm = 150A, P0 = 0,5KW, I0% = 10%, Pn = 1,2KW. Tính: công suất biểu kiến định mức, công suất biểu kiến không tải và công suất biểu kiến khi hiệu suất cực đại. Bài 5-13: Một máy biến áp 3 pha có : Sđm = 7000KVA; U1đm = 35KV; U2đm = 10KV; P0 = 20KW; Pn = 53.5Kw. - Tính dòng điện định mức ở bên cuộn sơ cấp và thứ cấp - Tính hệ số tải khi hiệu suất cực đại. Tính hiệu suất cực đại đó biết cosϕ = 0,9. Sñm 7000 Đáp số: I1đ m = = = 115,47 A 3U 1ñm 3 .35 S ñm 7000 I2đ m = = = 404,14 A 3U 2ñm 3 .10 β = kt = ηmax = P0 = Pn 20 = 0,611 53,5 k t Sñm cos φ k t S ñm cos φ + P0 + k t2 Pn = 0,99 126 Chương 5. Máy biến áp Bài 5-14: Một máy biến áp 3 pha có : Sđm = 175KVA; U1đm = 35KV; U2đm = 400V; P0 = 500W; Pn = 1000W. - Tính dòng điện định mức ở bên cuộn sơ cấp và thứ cấp - Tính hệ số tải khi hiệu suất cực đại. Tính hiệu suất cực đại đó biết cosϕ = 0,8 - Tính hiệu suất khi hệ số tải kt = 0,5 Bài 5-15: Một MBA một pha có Sdm = 6667kVA chế độ không tải với điện áp định mức U10 = 35kV, P10 = 17000W, i0% = 3%, U20 = 10kV. Thí nghiệm ngắn mạch với dòng điện định mức có un % = 8%, Pn = 53500W 1) Xác định dòng điện định mức. 2) Xác định công suất biểu kiến không tải và cosφ0. 3) Cho X1 = X2/ ; R1 = R2/ .Xác định các thông số của sơ đồ thay thế. 4) Xác định hệ số tải để hiệu suất đạt cực đại 5) Xác định điện áp thứ cấp U2 khi hệ số tải kt = 0,7 với cosφt = 1. ĐÁP SỐ: I1dm = 190,5A; I2dm = 666,7A; R1 = 0,74Ω; X1 = 7,33Ω; R2 = 0,0605Ω; X2 = 0,6Ω; Rth = 521,4Ω; Xth = 6107,4Ω; kt = 0,564; U2 = 9944V; S0 = 200kVA; cosφ0 = 0,085. Bài 5-16: Một MBA 3 pha có số vòng dây mỗi pha như sau: W1 = 1500 vòng;W2 = 400 vòng. Tìm tỷ số điện áp dây với các cách đầu dây như sau: Y/Y, Δ/Y; Y/Δ; Δ/Δ. ĐÁP SỐ: Y/Y k = 3,75 Δ/Y k = 2,165 Y/Δ k = 6,495 Δ/Δ k = 3,75. Bài 5-17: Một MBA 3 pha nối Y/Y có Sđm = 560kVA, U1đm = 6kV; U2đm = 0,4kV; i0%= 4,58%; un% = 4,27%; P0= 1970W; Pn = 7000W. 1) Tính dòng điện định mức và dòng điện không tải, hệ số công suất không tải. 2) Thông số của sơ đồ thay thế. 3) Xác định hệ số tải để hiệu suất cực đại. 4) Tính điện áp thứ cấp và hiệu suất khi kt = 0,5 cosφt = 0,8 (tải R, L). ĐÁP SỐ: 1/- I1dm = 53,9A; I2dm = 1400A; cosφ0 = 0,076; I0 = 2,47A. 2/- R1 = 0,4Ω; R2 = 1,78* 10-3 Ω; X1 = 1,31Ω; X2 =0,0058Ω Rth = 107,6Ω; Xth = 1398Ω 3/- kt = 0,53 4/- U2 = 393V; η = 0,984. Bài 5-18: Một MBA 3 pha nối Y/Δ có Sdm = 20kVA, U1dm = 10kV; U2dm = 213V; i0%= 3%; un% = 5,5%; P0= 0,22kW; Pn = 0,5kW. 1) Tính I0; I1dm; I2dm 2) Tính R1; R2, X1, X2. 3) tải đấu hình sao, điện trở mỗi pha tải R = 4Ω. Tính điện áp thứ cấp MBA ĐÁP SỐ: 1/- I1dm = 1,15A; I2dm = 50A; I0 = 0,0345A. 2/- R1 = 75Ω; R2 = 0,12 Ω; X1 = 116Ω; X2 =0,186Ω 3/- U2 = 226,5V 127 |
