Nghiên cứu quá trình điện từ của máy biến áp khi đóng vào lưới điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

HÀ HUỲNH HUY VŨ

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH ĐIỆN TỪ
CỦA MÁY BIẾN ÁP KHI ĐÓNG VÀO LƯỚI ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Bình Định – 2020


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

HÀ HUỲNH HUY VŨ

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH ĐIỆN TỪ
CỦA MÁY BIẾN ÁP KHI ĐÓNG VÀO LƯỚI ĐIỆN

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 8 52 02 01

Người Hướng Dẫn: TS. Đoàn Thanh Bảo


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận văn

này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian nghiên cứu.
Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực.

Tác giả luận văn

Hà Huỳnh Huy Vũ


ii

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn đến thầy hướng dẫn khoa học trực
tiếp, TS. Đoàn Thanh Bảo đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học trong
quá trình nghiên cứu. Thầy đã dành nhiều thời gian hỗ trợ về mọi mặt để tơi
hồn thành luận văn.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Khoa Kỹ thuật & Công nghệ, trường
Đại học Quy Nhơn, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho học viên trong
suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Chân thành cảm ơn các Giảng viên và
cán bộ Khoa Kỹ thuật & Cơng nghệ, đã hỗ trợ tận tình giúp đỡ trong q trình
thực hiện luận văn.
Tơi xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo Ban Quản lý Cấp và Thoát nước
huyện Tây Sơn, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi được tập trung học
tập và nghiên cứu tại trường ĐH Quy Nhơn trong suốt thời gian qua. Xin
chân thànhcảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ và động viên của các đồng nghiệp.
Cuối cùng, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến các cha mẹ, vợvà cùng các con
đã ln ở bên tơi những lúc khó khăn, hỗ trợ về tinh thần trong quá trình học
tập và nghiên cứu.

Tác giả luận văn

Hà Huỳnh Huy Vũ


iii

MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. ii
MỤC LỤC…………………. .......................................................................... iii
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU ......................................................................... vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ ....................................................... vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................... x
MỞ ĐẦU…………....…………………………...…………...........................1
1. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................... 1
2. Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu ................ 2
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .............................................. 3
4. Cấu trúc nội dung của luận văn............................................................. 3
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH ĐIỆN TỪ CỦA MÁY
BIẾN ÁP…………………………………………………………………… .. 5
1.1.Các phương trình cân bằng điện áp của máy biến áp ....................... 5
1.1.1. Phương trình cân bằng sức điện động .............................................. 5
1.1.2. Phương trình cân bằng điện áp dây quấn sơ cấp và thứ cấp ............ 7
1.2. Mạch điện thay thế của máy biến áp .................................................. 8
1.3. Những hiện tượng xuất hiện khi từ hóa lõi thép máy biến áp ....... 10
1.3.1. Máy biến áp một pha: ..................................................................... 10
1.3.2. Máy biến áp ba pha: ....................................................................... 12
1.4. Kết luận chương 1 .............................................................................. 17
CHƯƠNG 2 DỊNG ĐIỆN KHI ĐĨNG MÁY BIẾN ÁP VÀO LƯỚI
ĐIỆN..................…………...………………....………..............……………18

iv

2.1.Từ thơng và dịng điện khi đóng máy biến áp một pha vào lưới
điện..................................................................................................................18
2.2.Tính ước lượng cường độ từ cảm B cực đại: .................................... 22
2.3.Đóng máy biến áp ba pha vào lưới điện ............................................ 22
2.4. Phương pháp giảm dòng điện xung khi đóng máy biến áp vào lưới
điện..................................................................................................................24
2.5.Một số tiêu chuẩn về quá dòng điện của MBA................................. 24
2.6.Kết luận chương 2: .............................................................................. 27
CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN TỪ KHI ĐÓNG
MÁY BIẾN ÁP VÀO LƯỚI ĐIỆN BẰNG PHẦN MỀM ANSYS
MAXWELL ................................................................................................. 28
3.1.Giới thiệu.............................................................................................. 28
Quá trình giải quyết bài tốn trên Ansys Maxwell .................................. 28
3.2. Mơ phỏng MBA 3 pha 250kVA – 35/0,4kV ..................................... 29
3.2.1. Các thông số điện và kích thước của MBA ................................... 29
3.2.2. Xác định các điều kiện đầu vào mô phỏng MBA .......................... 31
3.2.3. Mô phỏng đóng MBA khi dịng hạ áp định mức (đầy tải)............. 32
3.2.4. Mơ phỏng ở chế độ đóng cuộn cao áp vào lưới điện khi không
tải....... .............................................................................................................. 40
3.2.5. Thảo luận kết quả MBA 250kVA: ................................................. 46
3.3. Mô phỏng MBA 3 pha 1500kVA – 35/0,4kV ................................... 47
3.3.1. Các thông số điện và kích thước của MBA ................................... 47
3.3.2. Xác định các điều kiện đầu vào mô phỏng MBA .......................... 49
3.3.3. Mô phỏng ở chế độ đóng cuộn cao áp vào lưới điện khi không tải.50
3.3.4. Thảo luận kết quả MBA 1500 kVA: .............................................. 57
3.4. Mô phỏng MBA 3 pha 2200kVA – 22/0,4kV ................................... 58

v

3.4.1. Các thơng số điện và kích thước của MBA ................................... 58
3.4.2. Xác định các điều kiện đầu vào mô phỏng MBA .......................... 60
3.4.4. Mơ phỏng ở chế độ đóng cuộn cao áp vào lưới điện khi không tải.61
3.4.5. Thảo luận kết quả MBA 2200kVA: ............................................... 69
3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3................................................................... 70
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................. 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 73
PHỤ LỤC.......................................................................................................76


vi

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU

Viết tắt

Ý nghĩa

MBA

Máy biến áp

CA

Cao áp

HA

Hạ áp

MBD

Máy biến dòng

PTHH

Phần tử hữu hạn

FEM

Finite Element Method


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý của máy biến áp 1 pha ............................................... 5
Hình 1.2. Sơ đồ điện của máy biến áp mang tải ................................................... 7
Hình 1.3. Sơ đồ thay thế của MBA (hệ số biến đổi k=1:1) ................................ 10
Hình 1.4. Từ thơng trong mạch từ....................................................................... 10
Hình 1.5. Ảnh hưởng của từ trễ đến đường cong dịng điện [2,18] .................... 12
Hình 1.6. Dịng điện từ hóa với các thành phần của nó ...................................... 12
Hình 1.7.Đường cong biểu diễn từ thông a) s.đ.đ; b) của tổ MBA ba pha nối
Y/Y ...................................................................................................................... 13
Hình 1.8. Từ thơng điều hịa bậc ba .................................................................... 13

Hình 1.9. Dịng điện điều hịa bậc 3 trong dây quấn nối Y/Δ ............................. 14
Hình 1.10.Từ thơng điều hịa bậc 3 .................................................................... 14
Hình 1.11. Dịng điện điều hòa bậc 3 trong dây quấn nối Δ/Y khi khơng tải .... 15
Hình 1.12.Dịng điện điều hịa bậc 3 trong dây quấn nối Y/Δ ........................... 16
Hình 1.13.Tác dụng của dòng điện i23 khi đấu dây quấn Y/Δ ............................ 16
Hình 2.1. Sơ đồ đóng MBA vào lưới điện lúc khơng tải .................................... 18
Hình 2.2. Sự biến thiên từ thơng Φ=f(t) lúc đóng mạch bất lợi nhất .................. 20
Hình 2.3. Mạch từ có mối ghép tù ...................................................................... 21
Hình 2.4. Mạch từ có mối ghép xen kẽ 450......................................................... 21
Hình 2.5.Phân bố dịng điện khi đóng MBA nối sao – tam giác ở thời điểmdịng
điện pha A cực đại ............................................................................................... 23
Hình 3.1. Q trình giải quyết bài tốn bằng phương pháp PTHH [6] .............. 29
Hình 3.1. Máy biến áp 250kVA trong phần mềm............................................... 31
a) Ansys Maxwell 2D và b) Ansys Maxwell 3D ................................................ 31
Hình 3.2. Chia lưới trong mơ hình 3D ................................................................ 32
Hình 3.3. Nhập giá trị cuộn CA .......................................................................... 32


viii
Hình 3.4. Nhập giá trị cuộn HA .......................................................................... 32
Hình 3.5. Điện áp cuộn CA ................................................................................. 34
Hình 3.6. Điện áp cuộn HA................................................................................. 34
Hình 3.7. Dịng điện HA định mức ..................................................................... 35
Hình 3.8. Dịng điện CA định mức ..................................................................... 35
Hình 3.9. Phân bố từ cảm B tại thời điểm t = 10ms (dạng Mag)........................ 36
Hình 3.10.Phân bố từ cảm B tại thời điểm t = 10ms (dạng vectơ) ..................... 37
Hình 3.11. Đường khảo sát pha B ...................................................................... 38
Hình 3.12.Từ cảm của trụ pha B tại t =10ms ..................................................... 38
Hình 3.13.Phân bố từ cảm B tại thời điểm t = 500ms (dạng Mag) .................... 39
Hình 3.14.Phân bố từ cảm B tại thời điểm t = 500ms (dạng vectơ) ................... 39

Hình 3.15.Từ cảm của trụ pha B tại t =500ms ................................................... 39
Hình 3.16.Nhập giá trị cuộn CA ......................................................................... 40
Hình 3.17.Nhập giá trị cuộn HA......................................................................... 40
Hình 3.18.Điện áp cuộn CA ............................................................................... 41
Hình 3.19.Điện áp cuộn HA ............................................................................... 41
Hình 3.20.Dịng điện HA khơng tải.................................................................... 42
Hình 3.21.Dịng điện CA khơng tải trong khoảng 0,5s ...................................... 42
Hình 3.22.Phân bố từ cảm B tại thời điểm t = 10ms (dạng Mag) ...................... 43
Hình 3.23.Phân bố từ cảm B tại thời điểm t = 10ms (dạng vectơ) ..................... 44
Hình 3.24.Đường khảo sát pha B ....................................................................... 44
Hình 3.25.Từ cảm của trụ pha B tại t =10ms ..................................................... 45
Hình 3.26.Phân bố từ cảm B tại thời điểm t = 500ms (dạng vectơ) ................... 45
Hình 3.27.Từ cảm của trụ pha B tại t =500ms ................................................... 46
Hình 3.28.Máy biến áp 1500kVA trong phần mềmAnsys Maxwell 3D ............ 49
Hình 3.29.Chia lưới trong mơ hình 3D............................................................... 49
Hình 3.30.Nhập giá trị cuộn CA ......................................................................... 50
Hình 3.31.Nhập giá trị cuộn HA......................................................................... 50


ix
Hình 3.32.Điện áp cuộn CA ............................................................................... 51
Hình 3.33.Điện áp cuộn HA ............................................................................... 52
Hình 3.34.Dịng điện HA khơng tải.................................................................... 52
Hình 3.35.Dịng điện CA khơng tải trong khoảng 0,5s ...................................... 53
Hình 3.36.Dịng điện CA khơng tải trong khoảng 1,5s ...................................... 53
Hình 3.37.Phân bố từ cảm B tại thời điểm t = 10ms (dạng Mag) ...................... 54
Hình 3.38.Phân bố từ cảm B tại thời điểm t = 10ms (dạng vectơ) ..................... 54
Hình 3.39.Đường khảo sát pha B ....................................................................... 55
Hình 3.40.Từ cảm của trụ pha B tại t =10ms ..................................................... 55
Hình 3.41.Phân bố từ cảm B tại thời điểm t = 500ms (dạng Mag) .................... 56

Hình 3.42.Phân bố từ cảm B tại thời điểm t = 500ms ........................................ 56
Hình 3.43.Từ cảm của trụ pha B tại t =500ms ................................................... 57
Hình 3.44.Máy biến áp 2200kVA trong phần mềmAnsys Maxwell 3D ............ 60
Hình 3.45.Chia lưới trong mơ hình 3D............................................................... 61
Hình 3.46.Nhập giá trị CA.................................................................................. 62
Hình 3.47.Nhập giá trị HA ................................................................................. 62
Hình 3.48.Điện áp cuộn CA ............................................................................... 63
Hình 3.49.Điện áp cuộn HA ............................................................................... 63
Hình 3.50.Dịng điện HA khơng tải.................................................................... 64
Hình 3.51.Dịng điện CA khơng tải trong khoảng 500ms .................................. 64
Hình 3.52.Dịng điện CA khơng tải trong khoảng 1s ......................................... 65
Hình 3.53.Phân bố từ cảm B tại thời điểm t = 10ms (dạng Mag) ...................... 66
Hình 3.54.Phân bố từ cảm B tại thời điểm t = 10ms (dạng vectơ) ..................... 66
Hình 3.55.Đường khảo sát pha B ....................................................................... 67
Hình 3.56.Từ cảm của trụ pha B tại t =10ms ..................................................... 67
Hình 3.57.Phân bố từ cảm B tại thời điểm t = 500ms (dạng Mag) .................... 68
Hình 3.58.Phân bố từ cảm B tại thời điểm t = 500ms (dạng vectơ) ................... 68
Hình 3.59.Từ cảm của trụ pha B tại t =500ms ................................................... 69


x

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Các chế độ quá tải bình thường, thời gian và mức độ quá tải cho phép
MBA lực đảm bảo vận hành ............................................................................... 25
Bảng 2.2. MBA phải đảm bảo vận hành quá tải ngắn hạn cao hơn dòng điện
định mức .............................................................................................................. 26
Bảng 3.1. Các giá trị thông số điện cơ bản MBA công suất 250kVA ................ 29
Bảng 3.1. Các giá trị thông số điện cơ bản MBA cơng suất 250kVA ................ 29
Bảng 3.2. Các kích thước cụ thể của MBA công suất 250kVA.......................... 30

Bảng 3.3. So sánh các giá trị trung bình mơ phỏng và tính tốn ........................ 36
Bảng 3.4. So sánh các giá trị trung bình mơ phỏng và tính tốn ........................ 43
Bảng 3.5. Các giá trị thông số điện cơ bản MBA công suất 1500kVA .............. 47
Bảng 3.6. Các kích thước cụ thể của MBA công suất 1500kVA........................ 48
Bảng 3.7. So sánh các giá trị trung bình mơ phỏng và tính tốn ........................ 54
Bảng 3.8. Các giá trị thông số điện cơ bản MBA cơng suất 2200kVA .............. 58
Bảng 3.9. Các kích thước cụ thể của MBA công suất 2200kVA........................ 59
Bảng 3.10. So sánh các giá trị trung bình mơ phỏng và tính tốn ...................... 65
Bảng 3.11. Kết quả mơ phỏng cho 3 MBA có cơng suất khác nhau ................. 70


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Máy biến áp (MBA) là một thiết bị điện vô cùng quan trọng trong ngành
điện. Khi điện năng được sản xuất ra thì phải truyền tải điện năng tới nơi tiêu
thụ, trong quá trình truyền tải điện năng đó thì khơng thể vắng mặt các MBA,
nó dùng để tăng và giảm điện áp lưới sao cho phù hợp nhất, nhằm giảm tổn
thất điện năng khi truyền tải, tới nơi tiêu thụ.
Các MBA ở các nhà máy nước ta sản xuất, cấp điện áp cao áp có cấp điện
áp là 220kV, 110kV, 35kV, 22kV, 10kV, 6kV/0,4kV để cấp điện cho đa số
các thiết bị điện cơng nghiệp và dân dụng.
Máy biến áp ln đóng góp một vai trị hết sức quan trọng trong cơ sở hạ
tầng của hệ thống điện, nó chiếm tỉ lệ lớn trong tổng cơng suất của hệ thống
MBA, vì thế các vấn đề quá trình làm việc bình thường và bất bình thường
của MBA có ý nghĩa kinh tế kỹ thuật. Trước khi cho máy biến áp đi vào vận
hành, đó là q trình đóng máy biến áp vào lưới điện, quá trình này đã phát
sinh những thay đổi điện từ trong mạch từ và dây quấn mạch từ khá phức tạp.
Nếu trong công tác thiết kế và sản xuất khơng tính tốn đến sẽ xảy ra những

ảnh hưởng lâu dài hoặc nhưng hư hỏng đáng kể. Do vậy, quan tâm đến quá
trình biến đổi điện từ MBA trong khoảng thời gian ngắn này có một ý nghĩa
khơng nhỏ trong kỹ thuật điện.
Máy biến áp khi đóng vào lưới điện, xảy ra các trường hợp nguy hiểm như
sau:
Thứ nhất, từ thông trong mạch từ tăng lên (khoảng 50%) gây bão hòa
mạch từ, Thời gian bão hòa mạch từ xảy ra có thể lên đến một chu kỳ dịng
điện (20ms). Đồng thời, dạng sóng dịng điện sơ cấp chứa thành phần sóng
hài khá lớn và có thể gây ra sự tác động nhầm cho các thiết bị rơle hoặc ảnh
hưởng đến sự làm việc cho các thiết bị điện xung quanh khác.


2

Thứ hai, khi đó độ tự cảm của cuộn dây giảm đáng kể, chỉ còn thành phần
điện trở cuộn dây sơ cấp làm cho dòng điện trong cuộn dây tăng cao. Khi
dòng điện lớn gây ra lực điện từ tác dụng lên vòng dây quấn. Điều này đã làm
hư hỏng các cố định vòng dây quấn, làm dây quấn xê dịch, thậm chí làm đứt
dây. Đây là sự cố làm hư hỏng máy biến áp. Đối với, các máy biến áp lớn có
điện trở cuộn dây thấp và độ tự cảm cao, các dịng điện đóng này có thể tồn
tại trong vài giây (thời gian tắt dần suy giảm tỷ lệ với XL/R).
Ngoài ra, trong 2 trường hợp xảy ra này, cũng phải tính đến trường hợp
đóng MBA ba phavào lưới điện trong trường hợp tải định mức hay không tải.
Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, em chọn đề tài:
NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH ĐIỆN TỪ CỦA MÁY BIẾN ÁP KHI
ĐÓNG VÀO LƯỚI ĐIỆN
2. Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu
 Phân tích dịng điện, điện áp và từ thơng khi đóng máy biến áp phân
phối vào lưới điện.

 Tính tốn dịng điện khi đóng máy biến áp phân phối vào lưới điện
trường hợp tải định mức và không tải.
Đối tượng nghiên cứu
 Máy biến áp phân phối điện lực có cơng suất từ 250kVA đến 2200kVA
Phạm vi nghiên cứu
 Nghiên cứu về từ thơng của máy biến áp phân phối.
 Tính tốn dịng điện, điện áp khi máy biến áp đóng vào lưới điện.
Phương pháp nghiên cứu
 Phân tích, tổng hợp về từ thơng, dịng điện trong các trường hợp đóng
MBA phân phốivào lưới điện.


3

 Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn 3D bằng phần mềm mơ phỏng
Ansys maxwell.
 Phân tích số liệu trong các trường hợp khác nhau.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học
 Phân tích, đánh giá từ thơng, dịng điện trong các trường hợp đóng
MBA vào lưới điện
 Tính tốn dịng điện khi đóng máy biến áp vào lưới điện khi tải định
mức và không tải với ba MBA với công suất khác nhau bằng phần mềm mô
phỏng Ansys Maxwell
Ý nghĩa thực tiễn
 Đánh giá chính xác giá trị từ thơng trong mạch từ, dịng điện dây quấn
và khi đóng MBA phân phối vào lưới điện.
 Góp phần đưa ra các khuyến cáo kỹ thuật, tiêu chuẩn cho cơng tác
trước khi đóng MBA phân phối vào lưới điện.
4. Cấu trúc nội dung của luận văn

Ngoài phần mở đầu và các mục theo quy định, nội dung nghiên cứu của
luận văn được trình bày trong 3 chương và phụ lục, cụ thể:
Mở đầu: Trình bày các vấn đề chung của luận văn, tóm tắt về tính cấp
thiết đề tài, mục tiêu, đối tượng nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề
tài, và kết cấu của luận văn.
Chương 1: Tổng quan về quá trình điện từ của máy biến áp.
Ở chương này đề tài giới thiệu trường hợp máy biến áp không tải và mang
tải. Q trình từ hóa và tổn hao trong lõi thép của máy biến áp, phương trình
cân bằng và đồ thị vec tơ của máy biến áp, thành phần diện kháng tản của dây
quấn. Đồng thời, đề tài cũng đề cấp đến tiêu chuẩn thí nghiệm máy biến áp,


4

quy trình đóng máy biến áp vào lưới điện và một số tiêu chuẩn quy định đóng
máy biến áp vào lưới điện.
Chương 2. Dịng điện khi đóng máy biến áp vào lưới điện.
Ở chương này đề tài giải quyết các vấn đề dịng điện khi đóng máy biến
áp một pha, Đóng máy biến áp ba pha vào lưới điện, phương pháp giảm dịng
điện xung khi đóng máy biến áp vào lưới điện, từ thông trong mạch từ, từ
trường trong khung dây quấn.
Chương 3. Phân tích các hiện tượng điện từ khi đóng máy biến áp vào
lưới điện bằng phần mềm ansys maxwell
Chương này, đề tài sử dụng ba mơ hình máy biến áp công suất 250kVA;
1500kVA và 2200kVA cấp điện áp 22/0,4kV và 35/0,4kV của Công Ty Biến
thế SANAKY Hà Nội đã sản xuất với mơ hình kích thước thiết kế đã có sẵn;
Tiến hành mơ phỏng các máy biến áp phân phối trong trường hợp đóng đồng
thời các pha, ở chế độ tải định mức và không tải. Từ đó, đưa các kết quả về
dịng điện, từ thơng. Tiến hành so sánh các kết quả để nhà sản xuất và vận
hành lựa chọn phương án thiết kế cũng như đóng điện vào lưới sao cho phù

hợp.


5

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH ĐIỆN TỪ CỦA MÁY BIẾN ÁP
1.1. Các phương trình cân bằng điện áp của máy biến áp
Xét sơ đồ nguyên lý của một máy biến áp vẽ trên Hình 1.1. Đây là máy
biến áp một pha hai dây quấn. Dây quấn 1 (sơ cấp) có N1 vịng dây và dây
quấn 2 (thứ cấp) có N2 vòng dây được quấn trên lõi thép 3[1,2,4].
3



i1

i2
o

o

~

t1 t2

u1 N1

N2 u2

Zt

o

o

2

1

Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý của máy biến áp 1 pha

1.1.1. Phương trình cân bằng sức điện động
Khi nối điện áp u1 vào dây quấn sơ cấp, trong dây quấn sơ cấp có dịng
điện i1 chạy qua. Nếu phía thứ cấp có tải thì trong dây quấn thứ cấp sẽ có
dịng điện i2 chạy qua. Do hệ số dẫn từ của lõi thép lớn hơn nhiều lần hệ số
dẫn từ của vật liệu phi từ tính (dây quấn, dầu, cách điện, khơng khí,..) nên
phần lớn từ thơng do hai s.t.đ i1N1 và i2N2 sinh ra được khép mạch qua lõi
thép móc vịng với cả dây quấn sơ cấp và thứ cấp được gọi là từ thơng chính
φ, theo định luật cảm ứng điện từ ở mỗi dây quấn sẽ cảm ứng sức điện động
(s.đ.đ):
- Dây quấn sơ cấp: e1 =  N1

dψ
dφ
 1
dt
dt

- Dây quấn thứ cấp: e2 =  N2

dψ
dφ
 2
dt
dt

(1.1)
(1.2)


6

trong đó: e1 và e2 - giá trị tức thời của s.đ.đ các dây quấn tương ứng
φ - giá trị tức thời của từ thông trong lõi thép.
ψ1 = N1φ và ψ2 = N2φ là từ thơng móc vịng với dây quấn sơ cấp và thứ
cấp ứng với từ thông chính φ.
Ngồi từ thơng chính φ móc vịng hai dây quấn cịn có những từ thơng chỉ
móc vịng với một dây quấn. Từ thơng φ có vai trị truyền năng lượng từ sơ
cấp sang thứ cấp của máy biến áp, thường được gọi là từ thơng chính; từ
thơng φt1, φt2 chỉ móc vịng một dây quấn khơng tham gia truyền tải năng
lượng được gọi là từ thông tản. Từ thông tản qua mơi trường khơng từ tính
(dây quấn, dầu, khơng khí) có từ trở lớn, do đó từ thơng tản nhỏ hơn rất nhiều
so với từ thơng chính. Từ thơng tản φt1 do dòng điện sơ cấp i1 gây ra và từ
thơng tản φt2 do dịng điện sơ cấp i2 gây ra. Các từ thông tản φt1 và φt2 biến
thiên theo thời gian nên cũng cảm ứng trong dây quấn sơ cấp s.đ.đ tản et1 và
thứ cấp s.đ.đ tản et2, có trị số tức thời là:
et1 =  N1

dφ t1

dψ
  t1
dt
dt

(1.3)

et2 =  N1

dφ t2
dψ
  t2
dt
dt

(1.4)

trong đó: ψt1 = N1φt1là từ thơng tản móc vịng với dây quấn sơ cấp; ψt2 =
N2φt2 là từ thơng tản móc vịng với dây quấn thứ cấp.
Từ thơng móc vịng lại quan hệ với dịng điện từ hóa theo biểu thức: ψ =
L.i. Nên đối với từ thơng tản ta có:
ψt1= Lt1.i1

(1.5)

ψt2= Lt2.i2

(1.6)

Lt1, Lt2 là hệ số tự cảm đối với từ trường tản của từng dây quấn.

7

Từ thông tản chủ yếu đi qua môi trường không từ tính, có thể coi Lt1, Lt2
là hằng số đối với mỗi dây quấn.
Thế (1.5) và (1.6) vào (1.3); (1.4) ta có:

e t1 = - Lt1

di1
dt

(1.7)

e t2 = - L t2

di 2
dt

(1.8)

Biểu diễn (1.7); (1.8) dưới dạng số phức:
E t1 = - jωLt1 I1  - jX1 I1

(1.9)

E t2 = - jωLt2 I2  - jX2 I2

(1.10)

trong đó: X1= ω.Lt1 ; X2= ω.Lt2 gọi là điện kháng tản của dây quấn sơ cấp
và của dây quấn thứ cấp.
1.1.2. Phương trình cân bằng điện áp dây quấn sơ cấp và thứ cấp
Từ sơ đồ nguyên lý Hình 1.2, ta vẽ lại sơ đồ điện của máy biến áp như
sau:
R2

↓

↓

e2+ et2

u1

R1

e1+ et1

i1

i2

u2

Z

Hình 1.2. Sơ đồ điện của máy biến áp mang tải

Áp dụng định luật Kirchhoff 2 ta có phương trình cân bằng điện áp sơ cấp
viết dưới dạng trị số tức thời là:
u1= - e1 - et1+ i1.R1

(1.11)

u2= e2+ et2 – i2.R2

(1.12)


8

Biểu diễn dưới dạng số phức:
U1 = - E1 - E t1 + I1 R 1
U 2 = E 2  E t2  I 2 R 2

(1.13)

Thay (1.9); (1.10) vào (1.13) ta có:
U1 = - E1 + jX1 I1 + I1 R 1
U 2 = E 2  jX 2 I 2  I 2 R 2

Hay

U1 = - E1 + Z1 I1

(1.14)

(1.15)

U 2 = E 2  Z 2 I2

trong đó: Z1 = R1 + jX1 và Z2 = R2 + jX2 là tổng trở phức của dây quấn sơ
cấp và thứ cấp
1.2. Mạch điện thay thế của máy biến áp
Để có thể nối trực tiếp mạch sơ cấp và thứ cấp với nhau thành một mạch
điện, các dây quấn sơ cấp và thứ cấp có cùng một cấp điện áp. Vì vậy phải
quy đổi một trong hai dây quấn về dây quấn kia để cho chúng có cùng một
cấp điện áp. Khi quy đổi thứ cấp sang sơ cấp, ta quy đổi dây quấn thứ cấp
bằng một dây quấn quy đổi có số vịng dây bằng dây quấn sơ cấp, yêu cầu của
việc quy đổi là quá trình vật lý và năng lượng xảy ra trong máy biến áp vẫn
không đổi.
Sđđ quy đổi bằng sđđ dây quấn sơ cấp:
E2 =

N1
E 2 = kE 2 = E1
N2

Tương tự: U2 = kU 2

I2 =

I2
k

(1.16)
(1.17)
(1.18)

9

Z2 = k 2 Z2 ; R2 = k 2R 2 ; X2 = k 2X 2

(1.19)

Zt = k 2 Zt ; Rt = k 2R t ; Xt = k 2X t

(1.20)

Mặt khác, S.t.đ (i1N1 + i2N2) sinh ra từ thơng chính Φ lúc có tải phải bằng
s.t.đ i0N1 lúc không tải để bảo đảm cũng sinh ra được một từ thơng chính Φ.
Do đó ta có phương trình cân bằng s.t.đ dưới dạng phức như sau:
I1 N1 + I 2 N 2 = I0 N1

(1.21)

Chia hai vế cho N1 và chuyển vế, ta có:
 N 
I1  I0   I 2 2 
N1 


(1.22)

I1 = I0  ( I2 )

trong đó: I2 = I1 =

1
I 2 là dòng điện thứ cấp qui đổi về sơ cấp
k

Thay các đại lượng qui đổi vào các phương trình cân bằng s.đ.đ và s.t.đ ở
trên, ta được hệ thống các phương trình đó viết dưới dạng qui đổi như sau:
U1 =  E1 + Z1 I1

(1.23)

U2  E2  Z2 I2

(1.24)

I1 = I0 + (- I2 )

(1.25)

Phương trình (1.23) ta thấy - E1 là điện áp rơi trên tổng trở Zm đặc trưng
cho từ thơng chính và tổn hao sắt từ. Từ thơng chính do dịng điện khơng tải
sinh ra, ta có thể viết:
- E1 = (R m + jX m ) I0  Zm I0

(1.26)


10

trong đó: Zm = Rm + jXm là tổng trở từ hóa đặc trưng cho mạch từ. Rm là

điện trở từ hóa đặt trưng cho tổn hao sắt từ, Xm là điện kháng từ hóa đặc trưng
cho từ thơng chính Φ.






 I2



I1 = I 0 + (- I2 )
●

jX1



jX'2

I0

R1

R'2

Rm




- U 2



 E1

U1

Z't

Xm
●

Hình 1.3. Sơ đồ thay thế của MBA (hệ số biến đổi k=1:1)

1.3. Những hiện tượng xuất hiện khi từ hóa lõi thép máy biến áp
Khi từ hóa lõi thép MBA, do mạch từ bão hòa sẽ làm xuất hiện những
hiện tượng mà trong một số trường hợp những hiện tượng ấy có thể ảnh
hưởng đến tình trạng làm việc của MBA. Chúng ta hãy xét những ảnh hưởng
đáng kể đó khi MBA làm việc khơng tải, nghĩa là khi đặt vào dây quấn sơ cấp
điện áp hình sin, còn dây quấn thứ cấp hở mạch [1,2,4,16].
1.3.1. Máy biến áp một pha:
Điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp sẽ
sinh ra dịng điện khơng tải i0 chạy
trong nó, dịng điện i0 sinh ra từ thông
Φ chạy trong lõi thép Hình 1.4.
Như ta đã biết, nếu điện áp đặt
vào biến thiên theo thời gian:

u =Umsinωt

Hình 1.4. Từ thơng trong mạch từ

và bỏ qua điện áp rơi trên điện trở dây quấn, thì:


11

u  e  W

d
dt

Nghĩa là từ thông sinh ra cũng biến thiên hình sin theo thời gian:
π

   m sin  ωt  
2


Trước tiên, nếu không kể đến tổn hao trong lõi thép thì dịng điện khơng
tải i0 thuần túy là dòng điện phản kháng dùng để từ hóa lõi thép i0= i0x. Do có
quan hệ Φ = f(i0) cũng chính là quan hệ từ hóa B = f(H). Theo cơ sở lý thuyết
mạch ta đã biết, do hiện tượng bão hòa của lõi thép, nếu Φ là hình sin, i0 sẽ
khơng sin mà có dạng nhọn đầu và trùng pha với Φ, nghĩa là dòng điện i0
ngồi thành phần sóng cơ bản i01, cịn có các thành phần sóng điều hịa bậc
cao: bậc 3 là i03, bậc 5 là i05, bậc 7 là i07, …, trong đó thành phần i03 lớn nhất
và đáng kể hơn cả, cịn các thành phần khác rất nhỏ, có thể bỏ qua. Ta có thể
xem như chính thành phần bậc 3 có tác dụng làm cho dịng điện từ hóa có

dạng nhọn đầu. Cũng từ lý luận đó ta thấy, nếu mạch từ càng bão hịa thì i0
càng nhọn đầu, nghĩa là thành phần i03 càng lớn [15, 18].
Khi có kể đến tổn hao trong lõi thép thì quan hệ giữa Φ(t) và Φ(i0) là quan
hệ trễ B(H). Từ quan hệ Φ(t) và Φ(i0) ta có thể vẽ được đường biểu diễn quan
hệ i0(t) như ở Hình 1.5. Đường cong i0(t) cho thấy nếu Φ là hình sin thì i0 có
dạng nhọn đầu nhưng vượt qua với Φ một góc α nào đó. Góc α lớn hay bé là
tùy theo mức độ trễ của B đối với H nhiều hay ít, nghĩa là tổn hao từ trễ trong
lõi thép nhiều hay ít. Vì thế α được gọi là góc tổn hao từ trễ. Hình 1.6 biểu
diễn vectơ dịng điện I 0 và từ thơng  m khi có kể đến tổn hao trong lõi thép.
Nhưng cần chú ý, vì dịng điện i0 là không sin nên trên đồ thị vectơ chỉ vẽ gần
đúng với thành phần bậc 1 của i0, hoặc là phải thay i0 bằng một dịng điện
hình sin đẳng trị có trị số hiệu dụng bằng trị số hiệu dụng của dòng điện i0
thực. Ta thấy lúc này dòng điện không tải I0 gồm hai thành phần: thành phần


12

phản kháng I0x là dịng điện từ hóa lõi thép, tạo nên từ thông và cùng chiều với
từ thông; thành phần tác dụng I0r, vng góc với thành phần trên, là dòng điện
gây nên tổn hao sắt từ trong lõi thép [17,23].
2
I 0  I or2  I ox

Trên thực tế I0r< 10%I0, nghĩa là góc α thường rất bé, nên dịng điện I0r
thực ra khơng ảnh hưởng đến dịng điện từ hóa bao nhiêu và như vậy ta coi I0x
≈ I0.

Hình 1.6. Dịng điện từ
hóa với các thành
Hình 1.5. Ảnh hưởng của từ trễ đến đường cong

phần của nó

dịng điện[2,18]

1.3.2. Máy biến áp ba pha:
Khi không tải nếu xét từng pha riêng lẻ thì dịng điện bậc 3 trong các pha:
i03A = I03msin3ωt

(1.27)

i03B = I03msin3(ωt -120) = I03msin3ωt

(1.28)

i03C = I03msin3(ωt - 240) = I03msin3ωt

(1.29)

Trùng pha nhau về thời gian, nghĩa là tại mọi thời điểm chiều của dòng
điện trong cả ba pha hoặc hướng từ đầu đến cuối dây quấn hoặc hướng ngược
lại. Song chúng có tồn tại hay khơng và dạng sóng như thế nào cịn phụ thuộc
vào kết cấu mạch từ và cách đấu dây quấn [11,20].
1.3.2.1. Trường hợp máy biến áp nối Y/Y:


13

Vì dây quấn sơ cấp nối Y nên thành phần dịng điện bậc 3 khơng tồn tại,
do đó dịng điện từ hóa i0 sẽ có dạng hình sin và từ thơng do nó sinh ra sẽ có

dạng vạt đầu (đường đậm nét trên Hình 1.7a). Như vậy có thể xem từ thơng
tổng Φ gồm sóng cơ bản Φ1 và các sóng điều hịa bậc cao Φ3,Φ5,…Vì các
thành phần điều hịa bậc cao hơn 3 rất nhỏ có thể bỏ qua do đó trên đồ thị
Hình 1.7a ta chỉ vẽ các từ thơng Φ1 vàΦ3.

Hình 1.7. Đường cong biểu diễn từ thông a) s.đ.đ; b) của tổ MBA ba pha nối Y/Y

Hình 1.8. Từ thơng điều hịa bậc ba
a) Trong tổ MBA ba pha; b) trong MBA ba pha năm trụ