Máy điện - Chương 2: Máy biến áp

PHẦN II. MÁY ĐIỆN Định nghĩa, công dụng và cấu tạo máy biến áp 1 Nguyên lý làm việc của máy biến áp 2 Các phương trình cơ bản của MBA (mô hình toán) 3 Qui đổi và sơ đồ thay thế MBA 4 Chương 2. MÁY BiẾN ÁP Các chế độ làm việc của MBA 5 MBA 3 pha 6 MBA đặc biệt 7 i1 – Định nghĩa, công dụng và cấu tạo MBA 1. Định Nghĩa: MBA là máy điện dùng để biến đổi 1 hệ thống dòng điện từ điện áp này sang điện áp khác. 2. Công dụng: U1  U2  U3 - Dùng để truyền tải và phân phối điện năng 24 kV MF Giảm áp Tăng áp 110kV, 220kV, 500kV 35kV, 24kV 0,4kV - Dùng trong công nghiệp - Dùng trong phòng thí nghiệm - Dùng trong đời sống hàng ngày i1 – Định nghĩa, công dụng và cấu tạo MBA 3. Cấu tạo: gồm 2 phần chính A – Lõi thép: ghép từ các lá thép kỹ thuật điện Trụ Gông Gông  B – Dây quấn: thường làm bằng dây đồng (có thể dùng nhôm) - Dây quấn sơ cấp: là dây quấn nối với nguồn : w1, u1, i1 - Dây quấn thứ cấp: là dây quấn nối với tải : w2, u2, i2 / w3, u3, i3 i1 – Định nghĩa, công dụng và cấu tạo MBA B – Dây quấn: i1 – Định nghĩa, công dụng và cấu tạo MBA C – Vỏ máy, nắp máy, sứ đầu ra / đầu vào Công suất: 63 MVA Điện áp danh định: 115/38,5/23 kV Tổng khối lượng: 106.000 kg Dầu: 27.000 kg Lõi thép + đồng: 37.000kg i1 – Định nghĩa, công dụng và cấu tạo MBA Các đại lượng định mức: -Điện áp định mức: 1dmU Điện áp qui định cho dây cuốn sơ cấp 2dmU Điện áp hở mạch trên dây cuốn thứ cấp khi điện áp sơ cấp = U1đm. -Dòng điện định mức: 1dmI Dòng sơ cấp khi điện áp sơ cấp định mức và tải định mức 2dmU Dòng thứ cấp khi điện áp sơ cấp định mức và tải định mức -Công suất định mức: dm 2dm 2dmS U .I Bac k i2 – Nguyên lý làm việc của MBA u1~ Khi  biến thiên => e1 và e2 Giả sử  = m sint 1 1 d e W dt    2 2 d e W dt    W1,2 : số vòng dây 1 1 me W cos t     1 1 me 2 fW   TQ: 1 1 ee 2E sin( t )   E1 = 4,44.f.W1 .m => E = - 90 O 1E  1 m2 fW 2   =>  móc vòng qua 2 cuộn dây  E sin( t 90 )   i1~  i1 u1 u2 i2 W1 W2 Zt Bac k i2 – Nguyên lý làm việc của MBA Tương tự => e2 có: E2 = 4,44.f.W2 .m => U1 E1 ; U2  E2 1 2 U U => => Hệ số biến áp của MBA k => i2 Khi nối dây quấn thứ cấp với tải Năng lượng điện đưa vào sơ cấp, bằng con đường hỗ cảm Đã chuyển qua mạch thứ cấp Và tiêu thụ trên tải Nếu bỏ qua tổn hao trên dây quấn 1 2 E E  1 2 W k W  MBA tăng áp k > 1 => MBA hạ áp  i1 u1 u2 i2 W1 W2 Zt i3 – Các phương trình cơ bản của MBA Xét MBA có hai dây quấn w1 và w2: u1  i1  từ thông  sức điện đông cảm ứng e1 ; e2   chọn chiều i2   Từ thông tản t1 do dòng i1 Từ thông tản t2 do dòng i2 2 2 2 tL i   (chỉ móc vòng với dây quấn thứ cấp) (chỉ móc vòng với dây quấn sơ cấp) 2E   ~ 1U  2U  1I  2I  1t 2t1 E 1 1 1 tL i   i3 – Các phương trình cơ bản của MBA 1. Phương trình cân bằng điện áp sơ cấp 2E   ~ 1U 2U 1I  2I  1t 2t1 E sơ cấp: Theo Kirhof 2  PT cân bằng điện áp sơ cấp: Dạng phức: + nguồn điện áp u1, + sức điện động e1, + điện trở dây quấn sơ cấp R1, + điện cảm tản sơ cấp L1  điện kháng tản X1 1 1 1111 e dt di LiRu  11 1 111 eu dt di LiR  Với tổng trở phức của dây quấn sơ cấp 1 ` 1 1 1Z R j L R jX    1 1 1 1 1 1 1 1( )U E I R jX E Z I       e1 u1 i1 R1 X1 i3 – Các phương trình cơ bản của MBA 2. Phương trình cân bằng điện áp thứ cấp 2E   ~ 1U 2U 1I  2I  1t 2t1 E Thứ cấp: Tương tự ta có: + điện áp u2, + nguồn sức điện động e2, + điện trở dây quấn thứ cấp R2, + điện cảm tản thứ cấp L2  điện kháng tản X2 Gọi là tổng trở phức của dây quấn thứ cấp 2 2 2 2 2Z R j L R jX    2 2 2 2 2 2 2 2( )U E I R jX E Z I       X2 e2 u2 i2 R2 i3 – Các phương trình cơ bản của MBA 3. Phương trình cân bằng stđ trong MBA 2E   ~ 1U  2U  1I  2I  1t 2t1 E Theo định luật dòng điện toàn phần: + khi không tải 1 1 2 2.H l I w I w  2 0I  1 0I I Là dòng không tải MBA 0 0 1.H l I w  Nếu U1 = const 1 1 4,44. . . mE w f const    m const  khi tải thay đổi từ “0” đến “định mức”  H  const 0 1 1 1 2 2I w I w I w   2 2 2 2 2( )U E I R jX    1 1 1 1 1( )U E I R jX    0 1 1 1 2 2I w I w I w  Bac k i4 – Qui đổi và sơ đồ thay thế MBA A. Qui đổi MBA 1. Mục đích qui đổi: + Khi k lớn  U1,U2 chệnh nhau nhiều  khó khăn khi sử dụng đồ thị véc tơ để tính toán mạch từ + thuận tiện hơn khi nghiên cứu MBA 2. Thực chất của việc qui đổi: 1 2w w 1 2u u 1 2E E 1 2I I 1 2w w 1 2u u 1 2E E 1 2I I  2. Điều kiện qui đổi: Quá trình năng lượng trong 2 máy phải như nhau 2 2 2 2S U I U I   2 2 2 2 2 2 2. ( ) .dP I R I R    i4 – Qui đổi và sơ đồ thay thế MBA A. Qui đổi MBA + qui đổi sức điện động: Cho E2, E1 tìm E’2 1 2w w 1 2E E 2 2.E k E  2 2.U kU  + qui đổi dòng điện: Cho I2 tìm I’2 2 2 2 2U I U I  2 2 I I k   + qui đổi tổng trở: Cho R2 tìm R’2 2 2 2 2 2 2I R I R  2 2 2R k R  2 2 2X k X  2 2 2 k Z Z  Hệ PT MBA đã qui đổi 2 2 2 2 2( )U E I R jX        1 1 1 1 1( )U E I R jX    0 1 2I I I   i4 – Qui đổi và sơ đồ thay thế MBA B. Sơ đồ thay thế MBA Hệ PT MBA đã qui đổi 2 2 2 2 2( )U E I R jX        1 1 1 1 1( )U E I R jX    0 1 2I I I   Sơ đồ thay thế đầy đủ MBA Ý nghĩa các thông số trong sơ đồ thay thế MBA Sơ cấp Thứ cấp Lõi thép Io  (2  6)%I1đm Sơ đồ gần đúng: I1 R0 R2 ’ I2 ’ X2 ’ U2 ’ U1 X1 R1 X0 Zt ’ Io Tải Zt ’ U2 ’ U1 I1 R2 ’ I2 ’ X2 ’ X1 R1 Zt ’ Bac k i5 – Các chế độ làm việc của MBA 1. Chế độ không tải V1 U20 W V2 * * Udm A1 MBA TN không tải: đo được U1đm, I0, P0, U20 Tính: 1 20 dmUk U  U20 là điện áp đm thứ cấp 0 0 1 % .100 dm I i I  (< 5%) 2 2 0 0 1 0 0 0( ) stP I R R I R P     Tổn hao không tải chủ yếu là tổn hao trong lõi thép x0 R1X1 r0 o U1 o I1 o I02 0 .P U f const   i5 – Các chế độ làm việc của MBA 1. Chế độ không tải TN không tải: đo được U1đm, I0, P0, U20 Tính được các thông số của nhánh từ hóa: x0 R1X1 r0 o U1 o I1 o I0 0 0 2 0 P R I  0 ?X  2 21 1 0 1 0 0 ( ) ( )dm U R R X X I     Z 2 21 0 0 0 ( )dm U X R I    x0 r0 o U1 o I0 Sơ đồ không tải gần đúng i5 – Các chế độ làm việc của MBA 2. Chế độ ngắn mạch Khi thứ cấp nối tắt  ngắn mạch a. Khi U1 = Uđm  nm sự cố b. Khi I1 = Iđm  thí nghiệm ngắn mạch 1 (15 20)dmnsc dm MBA U I I   Z W A2 * * U A1 MBA V1 Đặt điện áp U1 vào cuộn sơ cấp sao cho  Gọi U1 là Un 1n 1dm 2n 2dmI =I ; I =I  đo được Un, I1n=I1đm, Pn, I2n=I2đm R1 X'2X1 R'2 o U1 o I1 o I'2 Sơ đồ thay thế nm i5 – Các chế độ làm việc của MBA 2. Chế độ ngắn mạch TN ngắn mạch: Tính được các thông số mạch sơ cấp và thứ cấp: 1 % .100nn dm U u U  (4 ÷ 6) % R1 X'2X1 R'2 o U1 o I1 o I'2 Sơ đồ thay thế nm 2 2 1 1 2 1( )n n n nP I R R I R   2 1 n n n P R I   2 2 1 ( )nn n n U X R I   1 2R R  1 2X X  RnXn o Un o In 1 2 2 nRR R  1 2 2 nXX X   2 2 2 R R k    22 2 X X k   i5 – Các chế độ làm việc của MBA 3. Chế độ mang tải a. Biến thiên điện áp thứ cấp 20 2 2 20 % .100 U U U U    - Sử dụng sơ đồ thay thế gần đúng RnXn o U1 o I1 Z't o U'2 Dựng đồ thị vector/ tải điện cảm t  0 1I 2U  1 n I R 1 nI X nX nR n nZ 1U nDựng vector 1I Dựng vector tạo với góc 2U  1I t Dựng vector trùng pha với 1. nI R 1I Dựng vector 1. nI X 1I 1 2 1( )n nU U I R jX   i5 – Các chế độ làm việc của MBA 3. Chế độ mang tải a. Biến thiên điện áp thứ cấp RnXn o U1 o I1 Z't o U'2 t  0 C B A 1I 2U  1 n I R 1 nI X Vì <<  U1 = 0A 1 2U U AB   20 2 20 2 2 20 20 . . % .100 .100 . U U kU kU U U kU      1 2 2 1 % .100 U U U U    1 .100 AB U  .cos( )n tAB BC    .cos cos .sin sinn t n tAB BC BC     1U n 1. nBC I Z 1 1cos sinn t n tAB I R I X    i5 – Các chế độ làm việc của MBA 3. Chế độ mang tải a. Biến thiên điện áp thứ cấp Đặt: 2 1 2 1dm dm I I I I    Là hệ số phụ tải 1 1 2 1 1 . . % ( .100cos .100sin )dm n dm nt t dm dm I R I X U U U      1 1 . % .100dm nntd dm I R U U  điện áp ngắn mạch tác dụng % 1 1 . % .100dm nnp dm I X U U  điện áp ngắn mạch phản kháng % 2% ( %.cos %.sin )ntd t np tU U U     i5 – Các chế độ làm việc của MBA 3. Chế độ mang tải Đặc tính ngoài của MBA: 2 2( )U f I Đk:giữ cost không đổi trên mỗi đường đặc tính Khi không tải: 2 2 200I U U   Khi có tải: +tải thuần trở: % 0U  20 2U U  2I 2U 20U +tải thuần cảm n nX R  20 2U U  +tải thuần dung % 0U  20 2U U  2% ( %.cos %.sin )ntd t np tU U U     i5 – Các chế độ làm việc của MBA 3. Chế độ mang tải b. Hiệu suất máy biến áp: 2 2 1 2 ra vao P P P P P P P       2 2 1,2st d P P P P     2 2 2 2 2cos cos cost dm t dm tP U I U I S       0stP P const  2 2 2 2 2 2 1,2 1 1 2 2 1 1 2 2( ).d dm dm nP I R I R I R I R P      2 cos cos dm t dm t st n S S P P          Vẽ đồ thị : ( )f  0 tu n P P  axm    k max cost2 cost 1 Bac k i6 –MBA 3 pha 1. Cấu tạo và nguyên lí Máy biến áp 3 pha được ghép từ 3 máy biến áp 1 pha 0 0A B C     i6 –MBA 3 pha 2. hệ số biến áp 1 m d m U k U  ® 2® 1f m 1 f m 2 U W k U W  ® 2f® Cách nối dây: Y/Y ; Y/ ; /Y ; /  Hệ số biến áp pha: Hệ số biến áp dây: Y/Y f dk k Y/  /Y /  f dk k / 3 f dk ?k / f dk ?k / i6 –MBA 3 pha 3. Tổ đấu dây ĐN: Y/Y-12 cách nối DQSC cách nối DQTC con số Y/ - 11 ABU abU 12x30o = 360o ABU abU 11x30o = 330o 3 12-0 6 9 11 1 2 4 5 7 8 10 i6 –MBA 3 pha b Y/Y-12 z,b x,c y, a Y/ - 11 a c abU A C B ABU A C B ABU abU 12x30o = 360o 11x30o = 330o X Y Z x y z A B C a b c X Y Z x y z A B C a b c i6 –MBA 3 pha 4. sự làm việc song song MBA 3 pha a. Mục đích: - Đảm bảo tính kinh tế - Liên tục cấp điện b. Sơ đồ nối (1 pha) i6 –MBA 3 pha k n mi nk i 1 ni S S u % u %    ® Sk = k Sđmk c. Điều kiện - Cùng tổ đấu dây - Hệ số biến áp bằng nhau - Điện áp ngắn mạch bằng nhau 1 2 k n1 n2 nk 1 1 1 : : : : u % u % u %     1U 2IU 2IIU 2U U2 => Icb  5,18 Iđm (1) (2) (3) Đk1: Đk2: Đk3: U2 1U 2IU 2IIU Bac k i7 –MBA đặc biệt 1. Máy biến áp tự ngẫu a. Sơ đồ nguyên lý b. Đặc điểm - Hệ số BA: 1 1 2 2 U W k U W   22 1 1 W U U W   - Năng lượng chuyển từ sơ cấp sang thứ cấp theo 2 đường U1 U2 W1 W2 A khi A thay đổi U2 thay đổi từ: 0 U2đm W1 W2 A U1 U2 c. Phạmvi sử dụng - Dùng để điều chỉnh điện áp - Dùng để khởi động động cơ công suất lớn - Dùng trong các phòng thí nghiệm, trong dân dụng Ưu điểm ? Nhược điểm ? i7 –MBA đặc biệt 2. Máy biến áp đo lường 2 2 1 1 W U U W   - Hệ số BA : 1 1 2 2 U W k U W   a. Máy biến điện áp * Sơ đồ nguyên lý * Đặc điểm V U1 W1 W2 - 2 đầu của thứ cấp luôn nối với Voll kế * Phạmvi sử dụng Thường có: Không tải 1 1dmU U 2U 100V i7 –MBA đặc biệt Chương 2 / 2. Máy biến áp đo lường * Sơ đồ nguyên lý * Đặc điểm - Hệ số BD: 1 2i 2 1 A I W I k I W I    lín 1A 2 W I I W   lín - 2 đầu dây thứ cấp phải luôn nối ngắn mạch qua ampe kế A A I lớn W1 W2 MBD : Io = max E2 = 4,44f W2 m IoBA =(0,02 0,06) I đm 1 or 2 vòng a. Máy biến điện áp i7 –MBA đặc biệt 3. Máy biến áp hàn a. Sơ đồ nguyên lý BA thường BA hàn U2 * I2 * * 2 2 2 m U U U  ® Muốn tăng Ihàn ? tăng khe hở kk  que hàn Vật hàn  u1 ~  Bac k