Tài liệu Kháo sát bộ nguồn P46 và P52- Thiết kế máy biến áp, chương 3 ppt

CHƯƠNG 3
LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN MÁY BIẾN ÁP
I. Nguyên lý làm việc của máy biến áp
:
Máy biến áp làm nhiệm vụ biến đổi điệp áp. Có hai loại máy biến
áp: Máy biến áp tăng áp và máy biến áp hạ áp.
Nguyên lý làm việc của máy biến áp dựa trên cơ sở hiện tượng
cảm ứng điện từ.
Khảo sát một máy biến áp đơn giản gồm hai cuộn dây được quấn
trên lõi sắt mạch từ cột. Cuọân dây N
1
mắc nối tiếp với nguồn điện vào và
được gọi là cuộn sơ cấp, cuộn N
2
, lấy điện áp ra gọi là cuộn thứ cấp.
Hình 7. Nguyên tắc làm việc máy biến áp.
Khi cuộn dây thứ cấp N
2
để hở, dòng điện sơ cấp N
1
, tạo ra sức
điện động F
0
gây từ thông lưu thông trong mạch từ qua hai cuộn dây N
1
và N
2
, làm phát sinh các sức điện động E
1
và E
2

trong 2 cuộn sơ cấp và
thứ cấp.
Khi nối cuộn thứ cấp N
2
với phụ tải thì dòng điện thứ cấp I
2
xuất
hiện. Phụ tải càng tăng, dòng I
2
càng tăng làm dòng I
1
tăng theo tương
ứng để giữ ổn đònh từ thông không đổi. Đó là nguyên lý làm việc của
máy biến áp.
Nếu U
2
>U
1
: máy biến áp tăng áp
U
2
<U
1
: máy biến áp hạ áp.
I
1
U
2
U
2

I
2
E
1
E
2
m

U
1
II. Các công thức cơ bản về máy biến áp:
- Khi máy biến áp không tải, N
2
chưa có tải, I
0
= 0
U
1
= E
1
+R
1
I
1
+X
1
I
1
= E
1

+R
1
I
0
+X
1
I
0
= E
1
Do I
0
=0,04÷0,1I
đm
nên U
1
=E
1.
-Khi máy biến áp có tải I
2
>0:
U
1
= E
1
+R
1
I
1
+X

1
I
1
với U
1
>E
2
U
2
= E
2
-R
2
I
2
-X
2
I
2
với U
2
<E
2
Các sức ứng điện động E
1
,E
2
sinh ra trong các cuộn sơ cấp và thứ
cấp được xác đònh như sau:
e= -N*

dt
td
N
dt
d
m

sin
*
1



e
1
= tN
m

cos***
1

Vậy ta có:
22
11
***44,4
***44,4
NfE
NfE



trong
đó,
điện
lưới
số
tần
là
f
với
f
2
thép
lõi
trong
ra
sinh
thông

từ
:




*Tỷ số biến áp:Tỷ số giữa điện áp U
1
và điện áp U
2
, ta có:
2

1
2
1
2
1
U
U
N
N
E
E
k
u

Muốn xác đònh tỷ số biến áp K
u
nên đo khi máy biến áp vận hành
không tải.
*Tỷ số biến dòng:
u
I
kU
U
N
N
E
E
k
1
1

2
1
2
1
2

III. Phân loại máy biến áp:
Có nhiều cơ sở để phân loại máy biến áp, nếu căn cứ vào nguồn
cấp điện cho máy biến áp để có thể phân loại máy biến áp một pha với
máy biến áp 3 pha.
Ở đây, ta chỉ căn cứ vào dây quấn sơ cấp N
1
và thứ cấp N
2
mà phân
chia thành hai dạng máy biến áp:
Máy biến áp cách ly, có cuộn sơ cấp và thứ cấp biệt lập.
Máy biến áp tự ngẫu, có các cuộn sơ cấp và thứ cấp cùng quấn
chung một cuộn, do đó chúng có cùng một mạch.
Hình 8a. Biến áp cách ly Hình 8b. Biến áp tự ngẫu
Ưu điểm của máy biến áp tự ngẫu so với máy biến áp cách ly:
Khối lượng dây đồng và mạch từ giảm nhiều.
 Ở các đoạn chòu tải chung 2 dòng I
1
và I
2
chỉ cần có tiết diện
chòu tải hiệu hai dòng điện I
1
vàI

2.
 Hiệu suất cao hơn so với máy biến áp cách ly.
 Không lưu ý lớp cách điện giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp.
Khuyết điểm:
 Không an toàn, chỉ dùng biến áp tự ngẫu khi tỷ số k
u
= 0,5 ÷2
 Đối với ngành điện tử, máy biến áp tự ngẫu ít được sử dụng vì
nguy hiểm cho người sử dụng và gây tiếng ù, nhiễu.
VI. Các bước tính toán biến áp một pha công suất nhỏ:
Trong tập luận án này, ta chỉ lưu ý đến máy máy biến áp cách ly, vì
ở đây, bộ nguồn sử dụng nhiều máy biến áp cách ly hơn với với máy
biến áp tự ngẫu (chỉ sử dụng hai bộ Variac).
Khi tính toán máy biến áp một pha, công suất nhỏ (dưới 5KVA), ta
có thể tạm chia thành các dạng bài toán sau:
- Dạng bài toán dựa vào sơ đồ biến áp để xác đònh kích thước lõi
thép và số liệu dây quấn (bài toán thuận).
- Dạng bài toán ngược là dựa vào kích thước lõi thép ta tính toán số
liệu dây quấn biến áp theo một yêu cầu để tận dụng tối đa công suất lõi
thép.
Các phần chính của máy biến áp là: Lõi thép và dây quấn.
1. Lõi thép:
Lõi thép là máy biến áp thường dùng là loại thép được cán mỏng,
có chứa hàm lượng silic từ 1%-4%và bề dày từ 0,35mm-0,5mm, nhằm
mục đích giảm tổn hao điện năng trong mạch từ do tác dụng bởi dòng
điện Fuco và hiện tượng từ trễ làm phát nhiệt. Từ cảm có thể chọn B=1T
hoặc 1,2T (hay1000 Gauss hoặc 1200 Gauss). Ngoài ra loại thép có hàm
lượng silic 1% ta chọn B=0,7-0,8T.
Lõi thép máy biến áp có hai loại hình thông thường đó là hình chữ
U-I và chữ E-I, được cán mỏng thành từng tấm. Các mẫu khuôn này được

dập khuôn theo một kích thước nhất đònh có trên thò trường.
Chất lượng lõi thép được qui đònh bằng hàm lượng silic có trong
thép. Nó ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng máy biến áp, sắt đúng chất
lượng sẽ có độ từ cảm lớn, từ thông sinh ra lớn, gây nên từ trường mạnh.
Nhờ đó đảm bảo với một số vòng dây quấn sẽ cho sinh ra một điện áp
chính xác cao. Thép càng mỏng tổn hao càng ít. Ngoài ra, hai mặt lõi
thép còn được tráng một lớp verni rất mỏng nhằm mục đích làm giảm tồn
hao năng lượng.
Bảng chuẩn của lõi thép chữ E-I:
a
e c g
b a
h
Hình 9a.E_I Hình 9b. U-I
Loại a b C d e f g h
60.50 60 50 10 10 20 30 40 3.5
63.52,5 63 52.5 10.5 10.5 21 31.5 42 3.5
75.62,5 75 62.5 12.5 12.5 25 37.5 50 4.2
84.70 84 70 14 14 28 42 56 4.5
96.80 96 80 16 16 32 48 64 5.5
108.90 108 90 18 18 36 54 72 5.5
126.105 126 105 21 21 42 68 84 6.05
150.125 150 125 25 25 50 75 100 9
180.150 180 150 30 30 60 90 120 9.3
60.80 60 80 10 10 20 60 70 3
60.90 60 90 10 10 20 70 80 3.5
Bảng 1.
2. Dây quấn:
Dây quấn có nhiệm vụ tăng giảm điện áp, gồm có cuộn sơ cấp và
cuộn thứ cấp. Dây quấn phải là dây đồng được phân hoặc nhôm có bọc

lớp email hoặc coton để cách điện. Các máy biến áp công suất nhỏ dây
quấn thường dùng dây tròn có đường kính không quá 3mm. Đối với dây
chòu tải ở dòng điện lớn ở máy biến áp công suất lớn dùng dây dẹp, tiết
diện vuông hoặc chữ nhật thì lợi hệ số lấp đầy dây hơn.
Các bước tính toán như sau:
Bước1: Tính chọn lõi thép
Lõi thép thông dụng nhất là loại thép có hình dạng E-I.
Xác đònh sơ đồ biến áp với đầy đủ các tham số điện áp và dòng
điện ở phía thứ cấp và sơ cấp. Từ đó suy ra công suất biểu kiến S
2
ở phía
thứ cấp:
S
2
=

n
1
U
2i
.I
2i
(KVA)
Bước2: Nếu áp dụng các công thức ước lượng thông thường, từ giá
trò S
2
, ta đònh ra tiết diện cần dùng cho lõi thép máy biến áp A
t
.
A

t
=1,423.K
hd
.
B
2S
[cm2].
Với lõi thép dạng U-I thì K
hd
= 0.75-0.85
Với cách xác đònh này A
t
= a.b
* Khi chọn a = b với A
t
= a.b, chu vi trung bình của sợi dây nhỏ
nhất (so với các kết cấu khác khi chọn a khác b và A
t
= a.b). Do đó dẫn
đến khối lượng dây tốn ít nhất và tổn hao đồng trong biến áp nhỏ nhất, có
thể làm tăng hiệu suất biến áp, giảm nhỏ độ giảm áp ở thứ cấp biến áp
khi mang tải. Tuy nhiên, khi chọn theo phương pháp này khối lượng lõi
thép sẽ tăng lên so với kết cấu khác của lõi thép khi a<b
* Khi a<b, khối lượng lõi thép sẽ ít tốn hơn so với lúc chọn a>b và
A
t
=a.b, nhưng khối lượng dây đồng sẽ tốn nhiều hơn, tổn hao đồng trong
máy biến áp tăng, hiệu suất có thể giảm và tăng độ giảm áp ở thứ cấp khi
mang tải.
Trong trường hợp này, để dễ thi công bộ dây ta chỉ nên chọn b =

1,5a là tối đa để tránh cuộn dây bò phình ra ở phần hông khi thi công.
* Khi chọn a, b, trò số a có liên quan đến dòng từ hóa lõi thép máy
biến áp.
Giả sử với lõi thép E-I có kích thước đúng tiêu chuẩn bề dài đừơng
sức trung bình là l
tb
= 6a.
Theo đònh luật Ampere, khi bỏ qua khe hở không khí trong mạch
từ, ta có dòng điện từ hóa như sau:
N1. i
10
=H. l
tb
N1: Tổng số vòng dây quấn sơ cấp.
i
10
: Dòng điện từ hóa ở cuộn sơ cấp.
H: Cường độ từ trường, tương ứng với giá trò từ cảm B đã xác đònh
để tính ra từ thông và số vòng N2 ở sơ cấp.
Vậy a càng lớn i
10
càng lớn.
Bước3: Xác đònh số vòng dây quấn phía sơ cấp và thứ cấp
1. Xác đònh số vòng tạo ra 1 volt sức điện động cảm ứng:
E = 4,44.f.B.A
t
.N(V)
Khi E= 1V thì N= n
v
Vậy n

v
=
At*B*f*44,4
1
f= [Hz}; B= [T]; A
t
= [m
2
];n
v
= [Vòng/volt]
Nếu chọn A
t
=[cm
2
] ta có:
Nếu chọn B=0,8T ta có n
v
=
t
A
,
3
56
B= 1T ta có n
v
=
t
A
45

B= 1,2T ta có n
v
=
t
A
,
5
37
Mặc khác n
v
=
At*B*f*44,4
1
Vậy số vòng dây quấn sơ cấp: N
1
=U
1.
n
v
N
1
: tổng số vòng quấn sơ cấp.
U
1
: điện áp đònh mức của dây quấn sơ cấp.
2. Đối với máy biến áp hai dây quấn, khi tính toán số vòng thứ cấp
ta căn cứ vào giá trò điện áp thứ cấp không tải U
20
.
Gọi


U% là phầøn trăm sụt áp tại thứ cấp mang tải so với lúc
không tải
Vậy

U%=
2
220
U
U
U

.100%
U
20
: Điện áp không tải thứ cấp.
U
2
: Điện áp đònh mức thứ cấp.
Theo Beyaert, khi tính toán có thể ước lượng

U% theo cấp công
suất của biến áp ,ta có thể đònh nghóa đại lượng Ch sau đây để dễ tính
toán:
1
U
U
100
2
20


U%

Ch
U
1
100
2

U
U%
20

.
Vậy U
20
=Ch.U
2
hay Ch=1+
100
%
U

Trong tính toán chính xác, ta dựa vào S
2
để ước lượng Ch, trong
trường hợp ước lượng nhanh, ta có thể chọn: Ch=1,05

1,15.
Bước 4: Dựa vào S

2
ta ước lượng gần đúng hiệu suất ba

rồi suy ra
dòng sơ cấp:
Dòng điện phía sơ cấp: I
1
=
1ba
2
U
S
*
Bảng 2: Quan hệ giữa

U% theo công suất biểu kiến S
2
.
Theo Beyeart ta có:
S
2
(VA) 5 10 25 50 75 100 150 200 300

U% 20 17 15 12 10 9 8 7,5 7
Theo Transfomatoren Fabik Magnus ta có

U% theo S
2
khi phụ tải
thuần trở (cos


=1).
S
2
(VA) 25 50 75 100 150 200

U% 8 6,5 6,1 6 5,9 5,2
S
2
(VA) 250 400 500 600 750 1000

U% 5 4,3 4 3,9 3,8 3,75
Theo Schindler
S
2
(VA) 100 200 300 500 700 1050 1200 1500

U% 4,5 4 3,9 3 2,5 2,5 2,5 2,5
Quan hệ Ch theo:
S
2
(VA) Ch% S
2
(VA) Ch% S
2
(VA) Ch% S
2
(VA) Ch%
5 1,35 50 1,12 180 1,06 700 1,032
7,5 1,28 60 1.11 200 1,058 800 1,03

10 1,25 70 1,10 250 1,052 900 1,028
15 1,22 80 1,09 300 1,048 1000 1,025
20 1,18 90 1,085 350 1,045 1500 1,02
25 1,16 100 1,08 400 1,042 2000 1,016
30 1,14 120 1,075 500 1,038 3000 1,009
40 1,13 150 1,065 600 1,035
Bước 5: Chọn mật độ dòng điện J, căn cứ vào giá trò dòng điện
(tính được mỗi bộ dây) để suy ra đường kính dây quấn của mỗi bộ dây:
d= 1,128.
)(mm
J
I
.
Trong đó I=[A],J=[A/mm
2
].
Khi chọn J chú ý đến các tham số ràng buộc sau:
- Cấp cách điện của vật liệu dùng chế tạo bộ dây.
- Chế độ làm việc dài hạn, ngắn hạn có lặp lại hay không lặp lại.
- Điều kiện thông gió và giải nhiệt.
Bảng 3: Quan hệ giữa ba

theo S
2
.
Theo Robert Kuhn
S
2
(VA) 3 10 25 50 100 1000
ba


%
60 70 80 85 90 >90
Theo Auton Hopp
S
2
(VA) 30 50 100 150 200 300 500 750 1000
ba

%
86,4
87,6 89,6 90,9 91,3 93 93 95,3 94
Theo Walter Kehse.
S
2
(VA) 10 20 30 50 100 150 300 500
ba

%
80 80 85 90 91 92 92 92,5
Bieán aùp cho boä nguoàn chænh löu (Theo AEG ).
S
2
(VA) 25 50 100 200 300 400 500 700 1000
ba

%
76,5
84 85 86 88 90 90,5 91 92
Theo Newnes

S
2
(VA) 100 150 200 250 500 750
ba

%
88,5 89,3 90,5 91,2 92,6 93,5
S
2
(VA) 1000 1500 2000 2500 3500 5000
ba

%
94,1 95 95,4 95,7 95,9 96,2
Theo Elektroteknik und Machinenbau.
S
2
(VA) 150 250 500 1000 2000 3000 5000
ba

%
88,5 89,6 91 92,8 94,2 94,9 95,7
Theo National Bureau of standar S408-Westinghouse.
S
2
(VA) 2,5 5 9 25 50 80 150 200 500
ba

%
78 81,8 84,2 87,7 88,8 90,5 92,5 92,2 94,1

Theo Schindler
S
2
(VA) 100 200 300 500
ba

%
92,5 93,5 94 94,5
Theo Tranformatoren Fabik Magus
S
2
(VA) 25 50 75 100 150 200 250 400 500
ba

%
84,2
86,8 89 90 91 91,9 92 93,2 93,8
Bảng 4: Quan hệ giữa J theo S
2
(khi biến áp làm việc liên tục,làm nguội
tự nhiên hoặc dùng cấp cách điện thấp Y hay A.
S
2
(VA) 0

50 50

100 100

200 200


500 500

1000
J(A/mm
2
) 4 3,5 3 2,5 2
Trường hợp biến áp làm việc ngắn hạn (liên tục trong 6 giờ đến 10
giờ), cách điện dùng cấp cao hơn E hay B ta có thể chọn J cao hơn trong
bảng 4 từ 1,2

1,5 lần.
S
2
(VA) 0

50 50

100 100

200 200

500 500

1000
J(A/mm
2
) 6

5 5,5


4,5 5

4 4,5

3,5 4

3
Ngoài ra có thể chọn J theo nhiệt độ phát nóng cho phép của dây
quấn.
Theo Beyeart ta có bảng sau:
Bảng 5:Quan hệ giữa J và A
t
như sau:
A
t
(cm
2
)
J(A/mm
2
)
với độ gia
nhiệt 40
0
C
J(A/mm
2
)
với độ gia

nhiệt 60
0
C
A
t
(cm
2
)
J(A/mm
2
)
với độ gia
nhiệt 40
0
C
J(A/mm
2
)
với độ gia
nhiệt 60
0
C
1 4,6 5,5 5 2,4 3
1,4 4 4,9 5,5 2,35 2,8
2 3,5 4,3 6 2,3 2,8
2,4 3,3 4 6,5 2,25 2,7
2,8 3,1 3,7 7 2,2 2,6
3 3 3,6 7,5 2,15 2,6
3,5 2,8 3,4 8 2,1 2,5
4 2,7 3,3 9 1,9 2,4

4,5 2,6 3,2 10 1,8 2,3
Bước 6: Kiểm tra hệ số lấp đầy k
lđ
theo diện tích cửa sổ lõi thép:
Hình 10. Hình dạng lõi thép
- Bề rộng cửa sổ c=a/2
- Bề cao cửa sổ h=3a/2.
Vì vậy, ta có A
cs
= c* h =3a
2
/4
Sau đó, căn cứ vào số liệu dây quấn (số vòng và đường kính dây)
ta xác đònh tiết diện choán chỗ dây quấn trong cửa sổ và suy ra hệ số lấp
đầy cửa sổ:
K
lđ
=
từ
mạch
sổ
cửa
tích
Diện
quấndâytíchdiện
Tổng
K
lđ
=0,36


0,46 là phù hợp.
* Thể tích lõi thép
=(
ba6b
2
a3
2
a
15bhc2a3
2
a5
2
22
**)*)*(* 









.
Vậy khối lượng cuả lõi thép là W
th
với: W
th
= 6a
2

* b*7,8 (kg)
W
th
=46,8* a
2
*b.
Với
th
 =7,8 kg/dm
3
a,b =[dm].
Bước 7: Chọn bề dầy cách điện làm khuôn dây quấn (e
kh
) và kích
thước lõi gỗ(hay nhôm) làm lõi dây quấn. Chọn bề dầy e
kh
theo công suất
biến áp S
2
.
Bảng 6: Quan hệ giữa e
kh
và S
2
S
2
(VA)
1÷10
10÷200 200÷500 500÷1000 1000÷3000
e

kh
(mm) 0,5 1 2 3 4
Trong bước tính trên, khi tính A
t
, chọn a và b, ta căn cứ theo giá trò
b tìm được suy ra số lá thép cho từng lõi thép theo bề dầy mỗi lá thép.
Tuy nhiên, khi thi công, lúc ghép tất cả các lá thép lại với nhau, bề dầy
lõi thép sẽ lớn hơn b tính tóan (vì do lớp bavia) khi dập lá thép. Như vậy,
bề dầy thực sự dùng làm lõi thép và khuôn quấn biến áp có thể dày lớn
hơn b, ta gọi bề dầy này là b’.
b’=
92090
b
k
b
ghép
,. 

Vậy kích thước khuôn quấn có thể chọn như sau:
a
kh
= a+(1÷2mm)
b
kh
=b’+(1÷2mm)
h
hd
=bề cao hiệu dụng khuôn dây quấn.
Với h
hd

=h –[2e
ek
+(1÷2mm)].
Bước 8: Xác đònh số vòng một lớp cho từng bộ dây:
SV
1LƠP
=
điệncáchcả kể kínhĐường
quấn
số
Hệ
*
dây
quấn
dụng
hiệu
cao
Bề
.
qd
cđ
hd
K
d
H
*
lớp
SV
K
qd

=0,93÷0,95,dây đồng tiết diện tròn tráng email.
K
qd
=0,9÷0,93, dây đồng bọc coton tiết diện tròn.
K
qd
=0,8÷0,85, dây đồng tiết diện chữ nhật.
* Từ giá trò số vòng cuả từng bộ dây (SV) sơ và thứ cấp, ta căn cứ theo số
vòng dây của mỗi bộ dây để đònh ra số lớp (SL) cho từng bộ dây ta có:
SL =
lớp
SV
N

lớpmộtquấndâyvòngSố
dây
bộ
vòng
số
Tổng
Theo Beyaert bề dày cách điện mỗi lớp được xác đònh như sau:
)(*, V
1000
41
Bề
lớp2giữalệchchênhápĐiện
(mm)
lớp2giữiệncáchdày










1000
2
41e
cđ
*
*
*,
v
lóp
lớp2
n
SV
 (mm).
Bề dày của mỗi bộ dây quấn:
e là bề dày cuộn dây ta xác đònh tổng quát như sau:

































lớpmỗiđiên
dđiệncáchcó
dây kínhđường
*lớp(SL)
edâycuộn
dầyề

cđ
cáchdâybề
Số
B
Chú ý: cần phân biệt hai phương pháp tính hệ số lấp đầy trong tính
toán:
- Tính theo diện tích choán chỗ dây quấn so với diện tích cửa
sổ:
K
lđ
=
sổcửatíchDiện
quấndâytíchDiện
A
A
cs
dq

K
lđ
=0,36÷0,46 là phù hợp.
- Giá trò tính theo bề dầy cuả cuộn dây so vơí bề rộng cửa sổ.
K
lđ
=
sổcửadàyBề
dây
cuộn
dày
Bề

Nếu giá trò hệ số lấp đầy nằm trong khoảng 0,6÷0,75 là xem như
cuộn dây bỏ lọt cửa sổ lõi thép, giá trò tối đa là 0,8.
Việc phân loại cấp cách điện tùy theo yêu cầu công việc, môi
trường làm việc của động cơ mà ngừơi ta sản xuất theo cấp cách điện sau:
Bảng 7: Nhiệt độ của các cấp cách điện
Cấp cách
điện
Y A E B F H C
Nhiệt độ
max(
0
c)
90 105 120 130 155 180 180
Theo bảng trên khi sản xuất động cơ từ cấp cách điện B trở đi các
vật liêu cách điện dùng trong động cơ phải chòu nhiệt độ cao chỉ cho phép
dùng cách điẹân Amian, Thủy Tinh, Verni, Silicol
Theo tiêu chuẩn Việt Nam yêu cầu:
- Nhiệt độ môi trường xung quanh không quá 40
o
C.
- Khoảng biến thiên nhiệt độ không quá 10
0
C trong 8 giờ.
- Độ ẩm tương đối môi trường xung quanh 98% ở 25
0
C.
Bảng 8: Vật liệu cách điện dùng trong biến áp
Chất cách điện Điện áp đánh thủng (V)
Giấy bóng (15/1000,loại dùng cho tụ) 500
Giấy bóng 3/100 500

Giaỏy boựng 4/100 600
Giaỏy dau 5/100 1000
Vaỷi dau 5/100 3000
Bỡa Pressphalin 1/10 800
Bỡa 5/100 4000
Biaứ 1mm 8000