Bài giảng kỹ thuật điện chương 7 máy biến áp

MÔN HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN
CHƯƠNG 7

MÁY BIẾN ÁP


7.1 KHÁI NIỆM CHUNG
1) Công dụng MBA : Để dẫn điện từ
các trạm phát điện đến hộ tiêu thụ cần
phải có đường dây tải điện. Vấn đề đặt
ra là làm sao việc truyền tải điện năng
đi xa là kinh tế nhất  nâng cao điện
áp trên dây truyền tải đến 35, 110, 220
và 500KV  dùng máy tăng áp ở đầu
đường dây (phía các trạm phát điện) và
dùng máy hạ áp ở cuối đường dây (hộ
tiêu thụ).
3 – 21KV

127- 500V
3 – 6KV

35,110, 220,500KV

~
Máy phát
điện

MBA
tăng áp

Đường dây tải

MBA
hạ áp

Hộ tiêu thụ


2) Định nghĩa : MBA là thiết bị điện từ tĩnh, làm việc theo nguyên lý
cảm ứng cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi điện áp của hệ thống xoay
chiều nhưng vẫn giữ nguyên tần số.
Đầu vào của MBA nối với nguồn điện: sơ cấp  U1, I1, P1, W1
Đầu ra nối với tải : thứ cấp  U2, I2, P2, W2
Nếu U1 > U2 : MBA hạ áp ; U1 < U2 : MBA tăng áp.
3) Các đại lượng định mức :
a) Điện áp định mức : U1đm : điện áp định mức cho dây quấn sơ cấp
U2 = U2đm  khi thứ cấp hở mạch và U1= U1đm
b) Công suất định mức : Sđm = S2đm = U2đmI2đm  U1đm I1đm
c) Dòng điện định mức :
Sdm
Sdm
Đối với MBA 1 pha :
I1dm 
; I 2dm 
U1dm
U 2dm
Điện áp định mức là điện áp pha.
Dòng điện định mức là dòng điện pha.

Sdm
Đối với MBA 3 pha :
I1dm 
3U1dm
Điện áp định mức là điện áp dây.
Dòng điện định mức là dòng điện dây.
Sdm
I 2dm 
4) Phân loại MBA :
3U 2dm
a) MBA công suất (MBA điện lực)
Dùng để truyền tải và phân phối công
suất trong hệ thống điện lực
b) MBA tự ngẫu : biến đổi điện áp trong
phạm vi không lớn lắm dùng trong
phòng thí nghiệm hay để mở máy động
cơ AC.
c) MBA đo lường : dùng để giảm các
điện áp và dòng điện lớn để đưa vào các
đồng hồ đo.
d) MBA chuyên dùng : mba hàn điện, dùng cho các lò luyện kim, cho
các thiết bị chỉnh lưu trong kỹ thuật vô tuyến điện, âm thanh…


7.2 CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP
1) Lõi thép (mạch từ) : dùng để làm mạch
dẫn từ, đồng thời làm khung để quấn dây
quấn sơ cấp và thứ cấp. Gồm nhiều lá thép
kỹ thuật điện dày 0.35mm sơn cách điện
cả hai mặt, ghép lại với nhau. Lõi thép

gồm hai bộ phận : trụ là nơi để đặt dây
quấn, gông là phần khép kín mạch từ giữa
các trụ.
2) Dây quấn (mạch điện) : gồm nhiều vòng dây được lồng vào trụ
lõi thép. Giữa các vòng dây có cách điện với nhau và các dây quấn
có cách điện với lõi thép.
3) Vỏ máy : gồm hai bộ phận thùng và nắp thùng.
a) Thùng MBA bằng thép, có bộ tản nhiệt, chứa dầu MBA dùng để
tản nhiệt và tăng cường cách điện.
b) Nắp thùng dùng để đặt các chi tiết quan trọng như : sứ ra cách
điện, bình giãn dầu, ống bảo hiểm …



7.3 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP
Xét sơ đồ nguyên lý của mba
một pha, hai dây quấn như hình
vẽ.
Khi đặt điện áp Sin u1 vào dây
quấn sơ cấp w1  dòng điện i1
 trong lõi thép có từ thông
chính  biến thiên theo hàm Sin
móc vòng với cả hai dây quấn,
cảm ứng các sức điện động e1 ,
e2 .

i2

i1

~

u1

u2

Load

Khi mba không tải i2 = 0   do suất từ động i1w1 sinh ra.
Dòng i1 lúc này được gọi là dòng điện không tải i0 .
Khi mba có tải i2  0   do suất từ động tổng (i1w1 + i2w2) sinh ra.


Ta có  = max sint

dΦ
dΦ max sinω t 
π

e1   w 1
 w 1
 4.44fw 1Φ max 2sin  ωt - 
dt
dt
2

π  trong đó E1 = 4.44fw1max

 E1 2sin  ωt - 
2


Tính toán tương tự ta có : E2 = 4.44fw2max
Hệ số mba : k 

E1 U1 w1


E 2 U2 w 2

nếu bỏ qua tổn hao dây

quấn và từ thông tản ra ngoài không khí.
Nếu w2 > w1  U2 > U1 : máy tăng áp.
w2 < w1  U2 < U1 : máy hạ áp.
Nếu bỏ qua tổn hao trong mba : U2I2  U1I1 

U1 I 2
k

U 2 I1


7.4 CÁC PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ĐIỆN TỪ
1) Các phương trình cân bằng điện :
Chọn chiều e1 , e2 phù hợp với chiều từ thông chính , chiều i2 cùng
chiều e2 tức phù hợp với chiều  theo quy tắc vặn nút chai. Ngoài từ
thông chính  chạy trong lõi thép, một phần rất nhỏ từ thông do các
stđ i1w1 và i2w2 sinh ra bị tản ra ngoài khép mạch qua không khí
hay dầu mba, gọi là các từ thông tản t 1 , t 2 (chỉ móc vòng riêng rẽ
với mỗi dây quấn).



t1

Φ t1 : điện cảm tản
L1 
i1 dây quấn sơ cấp.
Φ t2 : điện cảm tản
L2 
i 2 dây quấn thứ cấp.

I2

I1
u1

e1

t2
e2

u2

Zt


i1

a) Phương trình cân bằng điện sơ cấp :

R1

L1
1

2

Pt K2 : R1i1 + L1di1 / dt - u1 = e1










u1



e1

 U1   E1  R 1 I1  jX 1 I1   E1  I1 Z1
Với X1 = L1 ; Z1 = R1 + jX1
b) Phương trình cân bằng điện thứ cấp :
Pt K2 : R2i2 + L2di2 / dt + u2 = e2










R2

i2

L2
1

2



 U 2  E 2  R 2 I 2  jX 2 I 2  E 2  I 2 Z 2

e2

Với X2 = L2 ; Z2 = R2 + jX2

u2

Zt

c) Phương trình cân bằng từ :

U1  E1 = 4.44fw1max : không đổi max : const  i0w1 = i1w1 + i2w2










  
 I 0 w 1  I1 w 1  I 2 w 2  I1  I 0    I 2 




7.5 SƠ ĐỒ THAY THẾ MÁY BIẾN ÁP
Từ mô hình toán (các pt cân bằng điện từ), ta xây dựng mô hình
mạch điện để thuận lợi cho việc tính toán, nghiên cứu MBA.
Để có thể nối trực tiếp mạch sơ cấp và thứ cấp với nhau thành một
mạch điện, ta phải quy đổi dây quấn thứ cấp về dây quấn sơ cấp để
chúng có cùng cấp điện áp.
Quá trình quy đổi phải đảm bảo không thay đổi các quá trình vật lý
và năng lượng xảy ra trong mba như công suất truyền tải, các loại
tổn hao hay năng lượng từ trường tích lũy trong mba.
1) Sđđ và điện áp thứ cấp quy đổi E’2 và U’2 :
E’2 = E1= E2 w1/w2 = kE2 và U’2 = kU2
2) Dòng điện thứ cấp quy đổi I’2 : Do công suất truyền tải không đổi
nên E2I2 = E’2 I’2  I’2 = I2 /k

3) Điện trở, điện kháng, tổng trở thứ cấp quy đổi R’2 , X’2 , Z’2
Do tổn hao đồng không đổi R2I22 = R’2 I’22  R’2 = k2 R2
Công suất phản kháng từ trường tản không đổi X2I22 = X’2 I’22
 X’22 = k2X2 . Tương tự ta có Z’t2 = k2Zt
4) Sơ đồ thay thế MBA :
R1





1



E1  I0 R th  jX th   I0 Z th
Xth = Lth : đặc trưng cho
từ thông chính 
Rth : đặc trưng cho tổn hao
sắt từ PFe do dòng Fucô
làm nóng lõi thép.

X1
2

I1
U1

R'2
1
Rth

I0

X'2

I’2

1

U’2
Xth

E1 = E’2

2

2

Sơ đồ thay thế MBA

Z’t


7.6 CHẾ ĐỘ KHÔNG TẢI CỦA MÁY BIẾN ÁP
R1

X1

1

2

I1
U1

Ro

Rth

U1đm

1

I0

I0

1

Xth

2

Xo

2

1) Sơ đồ thay thế mba khi không tải (thứ cấp hở mạch) : I’2 = 0

I1 = I0 , R1 << Rth , X1 << Xth  R0  Rth ; X0  Xth ; Z0  Zth
Dòng điện không tải: I0  U1đm / z0  2% - 10% I1đm
Công suất không tải: P0 = R0I02  RthIth2 = P Fe
P0
R0

 0.1  0.3
Hệ số công suất không tải: cos 0 
2
2
2
2
P0  Q 0
R 0  X0
Rất thấp  ảnh hưởng lưới điện.


2) Thí nghiệm không tải MBA : dùng để xác định hệ số biến áp k,
tổn hao sắt từ PFe , Xth , Rth , cos0 , I0 .
Sơ đồ thí nghiệm không tải như hình vẽ
Volt kế V1 chỉ U1 = U1đm

A

Volt kế V2 chỉ U2 = U2đm

V2

V1

Ampe kế chỉ I1 = I0

W

Watt kế chỉ P0 = PFe
Ta tính được k = U1đm / U2đm ; zo = U1đm / I0 ; R0 = P0 / I02  Rth
2
0

2
0

 X 0  z  R  X th

 cos 0 

R0
R 20  X 20



P0
U1dm I 0

 0.1  0.3


7.7 SỰ CỐ NGẮN MẠCH CỦA MÁY BIẾN ÁP
1) Sơ đồ thay thế mba khi ngắn mạch thứ cấp : U’2 = 0
R1

X1

R'2

1

2

1

I1
U1đm

Rth

I0

2

X1
1

U’2 = 0

R'2
2

X'2
1

2

I1  I’2

I’2

1
Xth

R1

X'2

U1đm

2

R1  R’2 << Rth ; X1  X’2 << Xth  z1 z’2 << zth  I0 << I1 I’2
 bỏ qua nhánh từ hoá  Rn  R1 + R’2 ; Xn  X1 + X’2
 Dòng điện ngắn mạch : I n = U1đm / zn  (10  25)I1đm : cháy cả
hai dây quấn mba và ảnh hưởng đến các tải dùng điện.
. Cần tránh tình trạng ngắn mạch khi vận hành máy biến áp


2) Thí nghiệm ngắn mạch MBA : dùng để xác định tổn hao dây
quấn PCu1 , PCu2 , X1 , R1 , X2 , R2 .
Sơ đồ thí nghiệm ngắn mạch như hình vẽ
Volt kế V1 chỉ U1 = Un
Ampe kế A1 chỉ I1 = I1đm

A1
Un

A2

V1

Ampe kế A2 chỉ I2 = I2đm

W

Watt kế chỉ Pn = Pcu1+ P cu2
Ta tính được Rn = P n / (I1đm) 2  R1 R’2  Rn /2
Tổng trở ngắn mạch zn = Un / I1đm 

2
n

Xn  z  R

2
n

 X1 X’2  Xn /2. Hệ số mba k = I2đm / I1đm
Điện trở và điện kháng dq thứ cấp R2 = R’2 / k2 ; X2 = X’2 / k2


7.8 CHẾ ĐỘ CÓ TẢI CỦA MÁY BIẾN ÁP
Chế độ có tải là khi dây quấn sơ cấp MBA nối với U1đm , dây quấn

thứ cấp nối với tải. Hệ số tải : kt = I2 / I2đm  I1 / I1đm .
Nếu kt =1 : tải định mức, kt <1 : non tải, kt > 1 : quá tải.
1) Đặc tính ngoài của MBA :
U2 = f(I2) = f’(kt) khi U1 = U1đm và cost = const.
tải C
U
2) Tổn hao và hiệu suất MBA
2

P = P cu1 + P cu2 + P Fe = Pn + P0
Hiệu suất

U20 = U2đm

P2
P2
η 
P1 P2  Pcu  PFe

P0
 = max  k t 
Pn

tải R
tải L
I2

O
Đặc tính ngoài MBA kt

Trong thực tế sử dụng kt = 0.5  0.7  Tính toán P0 = (0.25 0.49)Pn


7.9 MÁY BIẾN ÁP BA PHA
1) Cấu tạo : Lõi thép mba 3 pha gồm 3 trụ. Ký hiệu dây quấn sơ cấp
: AX, BY, CX. Dây quấn thứ cấp : ax, by, cz.
2) Tổ nối dây của mba : được hình thành do sự phối hợp kiểu đấu dq
sơ cấp so với dq thứ cấp, cho phép xác định góc lệch pha giữa các
sđđ dq sơ cấp và dq thứ cấp. Góc lệch pha này phụ thuộc các yếu tố
: chiều quấn dây, cách ký hiệu các đầu dây, kiểu đấu dây quấn Y
hay  ở sơ cấp và thứ cấp.
Tổ nối dây cũng cho phép xác định tỷ số điện áp dây giữa sơ cấp và
thứ cấp. Ký hiệu tổ nối dây :
U d1 U p1 w 1


I/I-6 : mba 1 pha, góc lệch pha là 1800 ,
U d2 U p2 w 2
Y/Y-12 : dq 3 pha sơ cấp nối Y,
3 U p1 w1
U d1
0


dq thứ cấp cũng nối Y, góc lệch pha 360 ,
U d2
3U p2 w 2
Y/  -11 : dq 3 pha sơ cấp nối Y,
3U p1
U

w1
d1
0

 3
dq thứ cấp nối  , góc lệch pha 330 ,

U d2

U p2

w2


MÁY BIẾN ÁP BA PHA


7.10 CÁC MÁY BIẾN ÁP LÀM VIỆC SONG SONG
Trong hệ thống điện, các mba thường làm việc song song cho phép
nâng cao công suất lưới điện và đảm bảo tính liên tục cung cấp điện
khi một máy bị hỏng hóc hoặc phải sửa chữa.
Điều kiện để các mba làm việc song song :
a) Điện áp định mức sơ cấp và thứ cấp của các mba phải bằng nhau
tương ứng : U1I = U1II = U1III = … ; U2I = U2II = U2III = …
b) Các mba phải có cùng tổ nối dây.
c) Điện áp ngắn mạch của các mba phải bằng nhau.


7.11. MÁY BIẾN ÁP TỰ NGẪU
Có khả năng cung cấp điện áp thứ cấp thay đổi trơn trong phạm vi

không lớn lắm, được dùng trong phòng thí nghiệm, trong các thiết
bị cần nguồn điện thay đổi và dùng để mở máy ĐC KĐB 3 pha
công suất lớn. Về cấu tạo chỉ có một dây quấn, dq thứ cấp là một bộ
phận của dq thứ cấp  truyền tải điện năng bằng hai đường : điện
và điện từ.

U

W

1

1

W

2

Z't

U'

2


7.12. Máy biến áp đo lường
Các máy biến áp đo lường dùng để mở rộng thang đo các dụng cụ đo
lường
a) Máy biến điện áp . Dùng biến đổi điện áp cao xuống điện áp thấp
để đo lường bằng các dụng cụ thông thường. Như thế số vòng dây thứ cấp

W2 phaỷi nhỏ hơn số vòng dây sơ cấp W1. Thông thường người ta quy
định điện áp thứ cấp U2 định mức là 100V.
Khi mắc dây, cuộn dây sơ cấp nối song song với điện áp lớn cần đo, cuộn
thứ cấp nối với vôn mét hoặc các mạch điện áp của các dụng cụ khác như
cuộn dây điện áp của oát mét.v.v.
Trong khi làm việc, không được để cho máy biến điện áp ngắn mạch thứ
cấp.

A

Ut

a
U2
V

X
x


b) Máy biến dòng điện . Dùng biến đổi dòng điện lớn xuống dòng
điện nhỏ để đo lường và một số mục đích khác. Vỡ dòng điện thứ cấp
nhỏ hơn dòng điện sơ cấp nên số vòng dây thứ cấp W2 nhiều hơn số
vòng dây sơ cấp. Dòng điện thứ cấp định mức là I2 =5A.
Khi mắc dây, cuộn dây sơ cấp đấu nối trực tiếp với dòng điện lớn cần đo;
cuộn thứ cấp nối với ampemét hoặc mạch dòng điện của các dụng cụ
khác như cuộn dòng điện của oát mét.
ẹối với máy biến dòng không được để hở mạch thứ cấp.

I

1

I

2

A