BÀI GIẢNG MÁY ĐIỆN: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA doc

HỌC VIỆN PHÒNG KHÔNG – KHÔNG QUÂN
BÀI GIẢNG MÁY ĐIỆN
BÀI 1.2: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA
KHOA KỸ THUẬT CƠ SỞ
BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Bài 2.1: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA
MỤC ĐÍCH
- Giới thiệu khái niệm, cấu tạo, nguyên lý làm việc về máy biến áp.
- Trình bày các nội dung cơ bản về máy biến áp một pha.
- Làm cơ sở phân tích nghiên cứu các loại máy biến áp khác có trong
thực tế và trong khí tài quân sự .
YÊU CẦU
- Nắm được khái niệm cơ bản về máy biến áp.
- Phân tích được nguyên lý làm việc và các phương trình quan hệ điện từ,
đặc điểm các chế độ làm việc của MBA.
Bài 1.2: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA
NỘI DUNG
I. Khái niệm chung
II. Cấu tạo và nguyên lý làm việc
III. Phương trình cân bằng điện và từ
IV. Phương trình quy đổi và sơ đồ thay thế
Bài 1.2: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA
I. Kh¸I niÖm chung
1.Khái niệm
MBA là một thiết bị điện từ tĩnh dùng để biến đổi hệ thống
dòng điện xoay chiều từ cấp điện áp này sang cấp điện áp
khác với tần số không đổi.
2. Công dụng
-
MBA được ứng dụng trong việc truyền tải điện năng
-

MBA còn được dùng trong lò điện, máy hàn, thiết bị nắn
dòng, trong vô tuyến điện tử và thiết bị tự động…
Bài 1.2: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA
3. Phân loại MBA
- Theo số pha:
+ Máy biến áp một pha
+ Máy biến áp ba pha
- Theo công dụng:
+ Máy biến áp lực
+ Máy biến áp hàn
+ Máy biến áp tự ngẫu
+ Máy biến áp đo lường
+ Máy biến áp cao tần
+máy biến áp xung
Bài 1.2: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA
MỘT SỐ HÌNH ẢNH MBA TRONG THỰC TẾ
Máy biến áp nguồn Máy biến áp nguồn hình xuyến
Máy biến áp xung
Máy biến áp cao áp
Bài 1.2: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA
MÁY BIẾN ÁP lùc 3 pha
N¾p m¸y
c¸nh t¶n nhiÖt
Sø cao ¸p
M¸c m¸y
Sø h¹ ¸p
Vá m¸y
Bài 1.2: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA
MÁY BIẾN ÁP BA PHA
Bài 1.2: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA

MÁY BIẾN ÁP DẦU BA PHA
Bài 1.2: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA
Máy biến dòng điện
Máy biến điện áp
Bài 1.2: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA
Máy biến áp tự ngẫu
Máy biến áp hàn
Bài 1.2: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA
II. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MBA
1. Cấu tạo
a) Lõi thép
- Dùng để dẫn từ thông chính của máy và làm khung đỡ dây
- Gồm nhiều lá thép KTĐ mỏng có chiều dày 0,35 ÷ 0,5 mm,
trên các lá thép có phủ lớp sơn cách điện 2 mặt rồi ghép lại.
- Gồm có 2 phần: Phần trụ ký hiệu chữ T và gông ký hiệu chữ
G. Trụ là phần lõi thép có dây quấn, gông là phần khép kín mạch
từ, Lõi thép MBA thường có dạng kiểu trụ và kiểu bọc.
T
G
Dây quấn
thứ cấp
Lõi thép kiểu trụ
Lõi thép kiểu bọc
Dây quấn
sơ cấp
Dây quấn sơ cấp
và thứ cấp
Bài 1.2: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA
b) Dây quấn
- Có hai dây quấn:

Dây quấn sơ cấp: nối với nguồn. (chỉ số1) W
1
, E
1
, U
1
, I
1
…
Dây quấn thứ cấp: nối với phụ tải. W
2
, E
2
, U
2
, I
2
…
- Là bộ phận dẫn điện được làm bằng dây đồng hoặc nhôm có
mạ cách điện ở mặt ngoài, có tiết diện tròn hoặc chữ nhật.
c) Các bộ phận khác
- Để làm mát máy và tăng độ cách điện giữa lõi và dây
quấn, với các vật xung quanh, đối với MBA công suất lớn lõi
thép và dây quấn để trong một thùng sắt chứa đầy dầu cách
điện, thùng tạo thành vỏ .
- Xung quanh thùng có các ống tản nhiệt, trên mặt thùng có
các đầu sứ rỗng có ốc đồng xuyên qua để nối các đầu dây
điện, còn có bộ phận chuyển mạch để điều chỉnh điện áp, rơle
hơi để bảo vệ máy…
Bài 1.2: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA

2. Nguyên lý làm việc
- Nguyên lý làm việc của MBA: dựa trên hiện tượng cảm ứng
điện từ.
- Khi đặt vào dây quấn sơ cấp điện áp xoay chiều u
1
: u
1
→ i
1
→
Ф
chính
chạy trong lõi thép, Ф móc vòng qua đồng thời cả 2 dq.
- Khi máy không tải: Ф do dòng điện không tải sơ cấp tạo nên I
0
.
-
Khi máy mang tải: Ф do cả hai dđ ở W
1
và W
2
tạo nên.
Φ
t1
Φ
Φ
t2
W
1
W

2
t
Z
2
U
&
1
U

2
I
&
1
I
&
Sơ đồ MBA một pha có hai dây quấn W1, W2

Bài 1.2: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA
Theo định luật cảm ứng điện từ, từ thông Ф biến thiên sẽ cảm ứng ở
W
1
và W
2
sđđ tương ứng:
dt
d
we
11
Φ
−=

dt
d
we
22
Φ
−=
dt
)tsin(d
we
m
11
ωΦ
−=
tcosw
m1
ωΦω−=
)90tsin(E)90tsin(we
0
m1
0
m11
−ω=−ωΦω=
m1m1
m1m1
1
fw44,4w
2
f2
2
w

2
E
E Φ≈Φ
π
=
Φω
==
Vì điện áp đặt vào cuộn sơ cấp biến thiên hình sin nên từ thông
chính ф cũng biến thiên hình sin , giả sử :
m
sin tΦ = Φ ω
m2m2
m2m2
2
fw44,4w
2
f2
2
w
2
E
E Φ≈Φ
π
=
Φω
==
)90tsin(E)90tsin(we
0
m2
0

m22
−ω=−ωΦω=
Nhận xét: Sức điện động ở cuộn thứ cấp cũng như sức điện động
ở cuộn sơ cấp đều biến thiên hình sin và có cùng tần số nhưng
chậm pha so với từ thông một góc 90
0
.
2
1
m2
m1
2
1
w
w
wf44,4
fw44,4
E
E
k =
Φ
Φ
==
1 1
1 1 2 2
2 2
U w
U E ;U E k
U w
≈ ≈ → = =

Hệ số biến áp:
Bài 1.2: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA
- Điện năng từ dây quấn sơ cấp chuyển sang dây quấn thứ cấp nhờ có
từ thông biến thiên, hai cuộn sơ và thứ không trực tiếp liên hệ với
nhau về điện
-
Nếu thứ cấp nối với phụ tải thì dưới tác dụng của sức điện động E
2
sẽ
có dòng I
2
chạy trong phụ tải và cung cấp điện cho phụ tải.
-
Máy biến áp tăng áp: U
1
< U
2
; W
1
< W
2
-
Máy biến áp hạ áp: U
1
> U
2
; W
1
>W
2

Kết luận
1 2
2 2 1 1
2 1
U I
U I U I k
U I
= → = =
-
Nếu bỏ qua tổn hao trong máy biến áp, có thể coi gần đúng quan hệ giữa
các đại lượng sơ và thứ cấp.
- Từ thông tản: Φ
t1
, Φ
t2
; Các từ thông này không đi qua vật liệu sắt từ
mà chỉ móc vòng qua từng cuộn dây sơ cấp và thứ cấp.
Bài 1.2: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA
III. PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ĐIỆN TRONG MBA
1. Phương trình cân bằng điện áp ở sơ cấp
Mối quan hệ giữa điện áp, sđđ, dđ và tổng trở của mạch điện
dây quấn sơ cấp
t1 1 1
E jI X= −
& &
111t11
RIEEU

=++
111t11

RIEEU

+−−=
111111
RI)xIj(EU

+−−−=
11111
RIxIjE

++−=
Xét mạch điện sơ cấp: u
1
và e
1
; i
1
r
1
; e
t1
.

1 1 1
Z R jX= +
Tổng trở dq sơ cấp
1 1 t1 1 1
u e e i r+ + =
1 1 1 1 1
U E I (R jX )= − + +

& & &
.
1 1 1 1
U E I Z→ = − +
& &
(1)
Bài 1.2: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA
2. Phương trình cân bằng điện áp ở thứ cấp
t 2 2 2
E jI X= −
& &
222t22
RIEEU

−+=
222222
RIxIjEU

−−=
)jxR(IEU
22222
+−=

2 2 2 2
U E I Z= −
& & &
e
2
+ e
t2

= u
2
+ i
2
r
2
u
2
= e
2
+ e
t2
– i
2
r
2
Mạch điện thứ cấp có: e
2
,

u
2
, i
2
r
2
, e
t2
(2)

Tổng trở dq thứ cấp
2 2 2
Z R jX= +
Bài 1.2: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA
3. Phương trình cân bằng từ điện
- Chế độ không tải
Φ
ch
do sức từ động của dây quấn sơ cấp sinh ra F
0
= i
0
w
1

-
Chế độ có tải
-
Φ
ch
do STĐ sơ cấp F
1
= i
1
w
1
và STĐ thứ cấp F
2
= i
2

w
2
sinh ra.
1
2
210
w
w
iii +=
)
w
w
I(II
1
2
201

−+=
'
0 2
I ( I ) (3)= + −
& &
k
I
w
w
II
2
1
2

2
'
2


==→
- Sức từ động của máy biến áp lúc có tải:
F
1
+ F
2
= i
1
w
1
+ i
2
w
2
-
Từ thông chính không đổi, nếu STĐ lúc có tải bằng STĐ lúc k tải:
F
0
= F
1
+ F
2
→ i
0
w

1
= i
1
w
1
+ i
2
w
2

Từ (3) máy biến áp có tải, dđ sơ cấp I
1
gồm 2 thành phần
I
0
tạo ra từ thông chính Ф
-I’
2
để bù lại tác dụng khử từ của dòng điện thứ cấp i
2
Vậy khi tải tăng dẫn đến I
2
tăng, I
1
cũng tăng để giữ cho I
0
sinh
ra từ thông chính hầu như không đổi lúc không tải cũng như
lúc có tải. Phương trình cân bằng từ và dòng điện cho thấy rõ
quan hệ dòng điện sơ cấp và thứ cấp của MBA.

2 2 2 2
U E I Z= −
& & &
'
1 0 2
I I ( I )= + −
& & &
1 1 1 1
U E I Z= − +
& & &
Hệ phương trình cơ bản
'
1 0 2
I I ( I ) (3)= + −
& & &
Bài 1.2: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA
1. Phương trình quy đổi MBA.
Việc nghiên cứu MBA dựa vào sự tính toán phối hợp giữa mạch
điện và mạch từ, ứng với các trị số bão hoà khác nhau của lõi
thép gặp nhiều khó khăn. Thay thế các mạch điện và mạch từ
của MBA bằng một mạch điện tương đương gồm các R và X đặc
trưng cho MBA. Mạch điện vậy gọi mạch điện thay thế MBA.
Thực tế U
1
≠ U
2
để có thể nối trực tiếp W
1
và W

2
với nhau,
cuộn W
1
và W
2
phải có cùng một điện áp. Vậy phải quy đổi
một trong hai dây quấn này về dây quấn kia. Muốn vậy hai
dây quấn phải có số vòng như nhau. Thường ta quy đổi W
2
về
W
1
, coi số vòng W
2
có số vòng như W
1
. Việc quy đổi chỉ cốt
thuận tiện cho tính toán không làm thay đổi các hiện tượng vật
lý xảy ra trong máy, khi quy đổi thì công suất,tổn hao,cosφ…
không thay đổi, các đại lượng ở W
2
về W
1
được ký hiệu thêm
một dấu
(,).
IV. PHƯƠNG TRÌNH QUY ĐỔI VÀ SƠ ĐỒ THAY THẾ
MBA
Bài 1.2: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA

'
2
2 2 2
'
2
E 1
I I I
E k
= =
a. Sức điện động và điện áp thứ cấp qui đổi:
Quy đổi sức điện động E
2
về E
1

12
'
2
EEkE

==
1 1 1
1 2 2
2 2 2
E W W
E E kE
E W W
= → = =
&
& & &

&
K- Hệ số biến áp (Hệ số qui đổi SĐĐ thứ cấp về sơ cấp)
Tương tự: U’
2
= kU
2
= U
1
b. Dòng điện thứ cấp qui đổi:
Việc quy đổi phải đảm bảo công suất thứ cấp MBA trước
và sau khi quy đổi không đổi
E
2
I
2
= E’
2
I’
2
do đó
2
2 '2 '2 ' 2
2 2 2 2 2 2 2
'2
2
I
I R I R R R k R
I
= = =
' 2

2 2
Z k Z=
t
2'
t
ZkZ =
' 2
2 2
x k x=
' 2
t t
x k x=
Các phương trình quy đổi của máy biến áp
'
1 0 2
I I ( I )= + −
& &
.
1 1 1 1
U E I Z= − +
& &
' ' ' '
2 2 2 2
U E I Z= −
& & &
c. Điện trở, đện kháng, tổng trở qui đổi:
Khi quy đổi, công suất không đổi, tổn hao đồng trên dây quấn
cũng không đổi
Bài 1.2: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA
2. Sơ đồ thay thế MBA

a. Mạch điện thay thế hình T:
- Hệ phương trình quy đổi
- Phương trình k
2
1 viết cho nút M, Phương trình k
2
2 viết cho hai mạch
vòng đều phù hợp với các phương trình cơ bản và quy đổi của MBA ở
mạch điện thay thế MBA trên, nhánh sơ cấp, thứ cấp và nhánh từ hóa có
tổng trở:
'
1 0 2
I I ( I )= + −
& &
.
1 1 1 1
U E I Z= − +
& &
' ' ' '
2 2 2 2
U E I Z= −
& & &
2 2 2
m m m
Z R jIX
Z R jIX
= +
= +
&
&

1 1 1
Z R jIX= +
&
X
m
biểu thị sự hỗ cảm giữa W
1
và W
2
R
m
biểu thị tổn hao sất từ trong lõi thép