Tài liệu Kỹ thuật điện_ Phần 1.1 pdf

PHẦN 1 CÁC MÁY BIẾN ÁP
CHƯƠNG I
CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP
1.1 Mở đầu.
Biến áp là một thiết bị điện từ dùng để thực hiện những nhiệm vụ khác
nhau. Nhiệm vụ chủ yếu là biến đổi năng lượng điện xoay chiều có điện áp và
dòng điện ở giá trị này vào năng lượng điện xoay chiều có điện áp và dòng điện ở
giá trị khác khi tần số không đổi. Biến áp được dùng nhiều trong công nghiệp gửi
năng lượng điện đi xa. Sở dĩ như vậy vì năng lượng gửi đi xa được biểu diễn bởi
S=UI, muốn giảm tổn hao và tiết kiệm dây dẫn ta phải giảm dòng (I) và tăng điện
áp U để cho S=const.Trên đường dây gửi năng lượng điện đi xa điện áp có giá trị
từ 6KV đến 500KV, trong khi dó điện áp nơi sử dụng có giá trị khoảng 110-220V,
nên ta phải hạ điện áp. Mặt khác trên đường truyền năng lượng điện áp bị giảm, để
giữ cho điện áp không đổi ta phải dùng biến áp trung gian. Tóm lại trên đường dây
gửi năng lượng đi xa ta cần các biến áp sau:
-Biến áp nâng áp đặt ngay tại trạm phát điện vì điện áp máy phát điện cao
nhất cũng chỉ khoảng 6KV
-Biến áp trung gian đảm bảo điện áp gửi đi không bị suy giảm
-Biến áp hạ áp đặt nơi tiêu thụ.
Ngoài ra biến áp còn được dùng trong các nhà máy, các khu dân cư để điều
hoà năng lượng điện; được dùng cho các bộ biến đổi tĩnh hoặc dùng trong công
nghiệp cho những mục đích cụ thể khác.
Biến áp còn được dùng làm biến áp đo lường như biến dòng, biến áp đo
điện áp.
Các biến áp có công suất nhỏ dùng trong gia đình dạng sun-von-tơ hay
biến áp dùng trong tuyền thông...
Trên vỏ của máy biến áp bao giờ cũng có bảng định mức. Ở bảng định mức
phải cho các đại lượng sau:
-Điện áp định mức của từng cuộn dây
-Công suất định mức hoặc công suất định mức của từng cuộn dây (cho ở
dạng VA, KVA hoặc MVA).

-Tần số định mức
-Tổ nối dây của biến áp 3 pha
-Điện áp ngắn mạch của mỗi cuộn dây
-Trọng lượng của toàn biến áp..
Trên bảng định mức của biến áp, công suất phải cho ở dạng biểu kiến vì
biến áp phải cung cấp cả công suất tác dụng và kháng cho các tải khác nhau.
Ở đây ta đưa ra khái niệm của đại lượng định mức;
16
Giá trị định mức là giá trị qui định sẵn của nhà máy sản xuất. Khi làm việc
lâu dài với các giá trị này không gây hỏng hóc cho máy.
1.2 Phân loại biến áp
Dựa vào số pha máy biến áp được chia ra:
-Máy biến áp 1 pha
-Máy biến áp nhiều pha (ba pha và nhiều hơn 3 pha)
b-Theo hệ số biến áp (k
u
) máy biến áp được chia thành:
-Máy biến áp tăng áp nếu k
u
<1
-Máy biến áp hạ áp nếu k
u
>1
-Máy biến áp cách li nếu k
u
=1
c- Phân loại theo công dụng
-Biến áp năng lượng
-Biến áp dùng trong các bộ biến đổi tĩnh
-Biến áp đặc biệt

Biến áp đặc biệt lại chia ra:
- Biến áp hàn
-Biến áp đo lường
-Biến áp tự ngẫu..
1.3 Cấu tạo của máy biến áp.
1.3.1. Lõi thép
Lõi thép là mạch từ của máy biến áp, nó được ghép bằng các lá thép điện
kỹ thuật mỏng, được cách điện đối với nhau để chống tổn hao do dòng Fucô. Thép
được cán nóng hoặc lạnh. Các lá thép được gắn chặt với nhau bằng các đinh ốc,
ghép càng chặt thì khi làm việc càng ít tiếng ồn.
Sự ồn của biến áp là do hiện tượng từ. Khoảng cách giữa các cột của lõi
thép gọi là cửa sổ. Số đo của của sổ phụ thuộc vào tiết diện dây dẫn, vào số vòng
dây của cuộn dây. Các lá thép được cắt thành những tấm nhỏ và được ghép theo
một trong các cách như ở hình 1.1 a,b để hình thành lõi thép hình 1.2 a,b
17
Hình 1.1 Cách ghép lá thép lõi biến áp
a)
b)
Ghép lá thép mhư hình 1.1a có nhược điểm sau: nếu ta không dùng một lớp
cách điện đặt ở chỗ tiếp xúcgiữa gông từ và cột sẽ gây ngắn mạch từ, sinh ra dòng
Fucô gây nóng cục bộ. Nếu dùng một lớp cách điện thì từ trở lại tăng (do khe khí
tăng) làm tăng dòng không tải. Ghép theo hình 1.1b nhược điểm trên bị loại trừ.
Với loại thép cán nguội thì ghép theo hình 1.b là tốt nhất vì chiều cán của thép có
độ thẩm từ tốt nhất.
Cuộn dây biến áp thường có dạng hình trụ để chống các lực điện từ. Việc
tạo lõi thép có dạng hình trụ gặp nhiều khó khăn nên người ta làm lõi thép có
nhiều bậc để gần hình trụ nhất (hình 1.3c)
1.3.2 Cuộn dây máy biến áp
Cuộn dây là mạch điện của máy biến áp, thường được làm bằng đồng, rất
hiếm khi làm bằng nhôm. Tuỳ thuộc vào công suất, thiết diện các dây dẫn có thể là

18
Hình 1.2 Lõi thép và cuộn dây máy biến áp
1-gông từ, 2-cột
a)
b)1
1
2
2
a)
b)
c)
Hình 1.3 Cấu trúc cột lõi thép của các biến áp a),b) công suất nhỏ c) công
suất lớn.
2
hình tròn(công suất nhỏ) hoặc hình chữ nhật (công suất lớn), cách điện của cuộn
dây thường là các-tông, prespan tẩm dầu, vải sợi..
Cuộn dây biến áp phải đạt các yêu cầu sau:
-Có hệ số sử dụng đồng cao nhất, hiệu suất lớn nhất;
-Thoát nhiệt dễ dàng, đảm bảo đúng tiêu chuẩn;
-Đảm bảo độ bền cơ học để chống các lực điện động, đặc biệt khi xảy ra
ngắn mạch.
Căn cứ vào cách đặt cuộn dây hạ áp và cao áp người ta chia ra làm 2 loại:
-Loại lồng vào nhau(hình 1.4a)
-Loại xếp tuần tự(hình 1.4b)
Thông thường cuộn thấp áp được đặt bên trong (gần lõi) vì dễ cách điện
với lõi hơn là cách điện với điện áp cao.
1.3.3 Các bộ phận phụ
a- Bể đựng dầu
Bất kể loại biến áp nào cũng phải bảo vệ. Những biến áp có công suất lớn
thì vỏ máy ngoài nhiệm vụ bảo vệ các phần bên trong, nó còn là bể chứa dầu. Dầu

biến áp là chất cách điện nhưng rất háo nước. Khi có nước độ cách điện của dầu
giảm do đó bể đựng dầu phải kín. Thành bể có cánh tản nhiệt để làm tăng diện tích
tản nhiệt. Trên đỉnh bể dầu đặt bình dầu con có bộ phận theo dõi mực dầu trong bể.
b-Đầu đấu dây vào, ra
Khi điện áp cao, đầu đấu dây vào, ra thường dùng sứ cách điện. Loại điện
áp thấp dùng cọc đồng được cách điện với vỏ và với nhau.
1.4 Nguyên lý hoạt động của máy biến áp
Trên hình 1.5 biểu diễn sơ đồ máy biến áp một pha. Giả sử khoá K mở.
Cuộn dây nối với lưới điện áp xoay chiều gọi là cuộn sơ cấp có W
1
vòng
dây, còn cuộn dây nối với tải gọi là cuộn thứ cấp có W
2
vòng dây.
Nếu bây giờ ta cấp cho cuộn W
1
một điện áp xoay chiều u
1
có tần số f thì
dòng điện chạy trong cuộn sơ cấp là i
1
và stđ do nó tạo ra là F
1
=i
1
W
1
19
1
1

1
2
2
1 1
2
2
Hình 1.4 Cách đặt cuộn dây vào lõi thép a) lồng vào nhau
b) Xếp thứ tự
Từ thông do i
1
sinh ra khép kín trong lõi thép gọi là từ thông chính, ký hiệu
là φ
1
và từ thông khép kín qua không khí gọi là từ thông tản, ký hiệu là φ
t1
. Do
dòng biến đổi nên từ thông chính biến đổi, nó cảm ứng trong cuộn dây W
1
một

sđđ
cảm ứng e
1
xác định bằng công thức:
e
1
= -W
1
dt
d

1
φ
(1.1)
Do từ thông chính khép kín qua lõi thép nên cũng cảm ứng trong cuộn W
2
một sđđ e
2
:
e
2
= -W
2
dt
d
1
φ
(1.2)
Bây giờ đóng khoá K, sđđ e
2
sẽ gây chạy dòng i
2
qua tải (Z
t
). Dòng i
2
lại
sinh ra stđ F
2
=i
2

W
2
. Stđ này sinh ra từ thông φ
2
khép kín qua lõi thép và các từ
thông tản φ
t2
khép kín qua không khí. Như vậy khi dòng i
2
≠0 trong biến áp có 2 từ
trường, một do dòng i
1
sinh ra còn một do dòng i
2
sinh ra. Trong lõi thép tồn tại 2
từ thông , 2 từ thông này tác động lên nhau để tạo ra một từ thông tổng φ đồng thời
có 2 loại từ thông tản:từ thông tản của cuộn W
1
và của W
2
.
Dùng tổng từ thông móc vòng, sđđ e
1
và e
2
có thể viết:
e
1
= -
dt

d
1
ψ
(1.2a)
e
2
= -
dt
d
2
ψ
(1.2b)
Trong đó ψ
1
=W
1
φ còn ψ
2
=W
2
φ .
Hai từ thông tản φ
t1
, φ
t2
sẽ sinh ra 2 sđđ tự cảm trong cuộn W
1
, W
2
theo

biểu thức sau:
e
t1
=-L
1
dt
di
1
(1.3)
e
t2
=-L
2
dt
di
2
(1.4)
Vì từ thông tản khép kín qua không khí là môi trường có độ thẩm từ không
đổi nên L
1
=const, L
2
=const và là độ tự cảm tản của cuộn W
1
và W
2
.
Theo định luật Kiêc-khốp cho mạch sơ cấp ta có:
20
φ

1
φ
1
φ
t1
φ
t2
φ
t2
u
2
Z
t
u
t1
Hình 1.5 Sơ đồ giải thích nguyên lý hoạt động của biến áp.
K
φ
t1
u
1
+e
1
+e
t1
=i
1
r
1
(1.5)

Trong đó r
1
-điện trở thuần cuộn dây sơ cấp.
Biến đổi ta có:
u
1
=i
1
r
1
- (e
1
+e
t1
)

(1.6)
Hay: u
1
= - (-i
1
r
1
+e
1
+e
t1
)
Phương trình này gọi là phương trình cân bằng sđđ ở mạch sơ cấp, trong đó
u

1
- điện áp lưới, còn e
1
+e
t1
+(-i
1
r
1
) là sự phản ứng của mạch khi cấp điện áp u
1
.
Ta thấy e
1
và e
t1
là sđđ được tạo ra bằng từ trường, còn –r
1
i
1
coi là sđđ
chống lại dòng i
1
khi nó chạy qua r
1
. Thay e
1
và e
t1
ta có:

u
1
=
dt
d
1
ψ
+L
1
dt
di
1
+i
1
r
1
(1.7)
Nếu gọi ψ
10
- là toàn bộ từ thông móc vòng với cuộn sơ cấp thì:
u
1
=-
dt
d
10
ψ
+r
1
i

1
(1.8)
Tương tự cho mạch thứ cấp:
dt
d
2
ψ
+L
2
dt
di
1
= u
2
+i
2
r
2
→ e
2
+e
t2
= u
2
+i
2
r
2
(1.9)
Hay:

0= e
2
+e
t2
-i
2
r
2
–u
2
(1.10)
Vế trái của (1.10) ta để ‘0’ là chứng tỏ phía thứ cấp không chịu tác động
của điện áp lưới. Hay nói cách khác, phía thứ cấp không có nguồn điện cung cấp.
Nếu gọi ψ
20
là tổng từ thông phía thứ cấp ta có thể viết:
dt
d
20
ψ
= u
2
+i
2
r
2
(1.10a)
Nếu bỏ qua tổn hao trong lõi thép và cho rằng độ thẩm từ trong lõi thép
không đổi ta có:
ψ

10
= L
1
i
1
+M
21
i
2
ψ
20
= L
2
i
2
+M
12
i
1
Trong đó L
1
, L
2
là độ tự cảm của cuộn dây W
1
, W
2
, còn M
12
=M

21
=M là độ
cảm ứng tương hỗ(hỗ cảm) giữa các cuộn 1 và 2.
Cuối cùng ta có:
u
1
= L
1
dt
di
1
+M
dt
di
2
+i
1
r
1
0= L
2
dt
di
2
+M
dt
di
1
+i
2

r
2
+u
2
Đây là mạng 2 cửa.
Nếu i
10
, i
1
, i
2
tuần tự là dòng sơ cấp khi không tải, dòng sơ cấp khi tải và
dòng thức cấp thì phương trình cân bằng stđ của biến áp như sau:
i
10
W
1
=i
1
W
1
+i
2
W
2
(1.13)
Hay F
0
(t)=F
1

(t)+F
2
(t) (1.13a)
Khi điện áp u
1
là hình sin, sử dụng số phức thì (1.5) và (1.6) và (1.13) có
dạng sau:
21
(1.11)
(1.12)