Bài giảng Lý thuyết máy điện - Chương 2: Máy biến áp (Phần A: Máy biến áp một pha)

BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI CHƯƠNG 2: MÁY BIẾN ÁP Phần A: Máy biến áp một pha I. Khái niệm. II. Cấu tạo MBA 1 pha. III. Nguyên lý hoạt động IV. Sơ đồ tương đương. V. Tính toán các thông số. Phần B: Máy biến áp ba pha I. Khái niệm. II. Cấu tạo MBA 3 pha. III. Nguyên lý hoạt động IV. Sơ đồ tương đương. V. Tính toán các thông số. VI. Tổ đấu dây MBA 3 pha. VII. Điều kiện các MBA 3 pha làm việc song song HÌNH ẢNH ỨNG DỤNG VÀ BÀI TẬP BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI CHƯƠNG 2: MÁY BIẾN ÁP PHẦN A: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA I. Khái niệm. Máy biến áp là một thiết bị điện từ tĩnh làm việc trên nguyên lý cảm ứng điện từ để chuyển đổi điện áp xoay chiều 1 pha từ cấp điện áp này (U1)sang cấp điện áp khác (U2)với tần số không đổi (f). - Phần nối với nguồn gọi là sơ cấp, ký hiệu số 1: dòng điện sơ cấp (I1), điện áp sơ cấp (U1), số vòng cuộn dây sơ cấp (n1) - Phần nối với tải gọi là thứ cấp, ký hiệu số 2: dòng điện thứ cấp (I2), điện áp thứ cấp (U2), số vòng cuộn dây thứ cấp (n2) U1> U2 : Máy biến áp giảm áp. U1 < U2 : Máy biến áp tăng áp. BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI CHƯƠNG 2: MÁY BIẾN ÁP PHẦN A: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA II. Cấu tạo MBA 1 pha. Máy biến áp gồm hai phần chính: Lõi thép và dây quấn Có các phần khác như vỏ máy, cách điện, sứ đỡ, các thiết bị làm mát, thùng giãn dầu, . . . Lõi thép của máy biến áp (Transformer Core) các lá thép mỏng ghép lại, về hình dáng có hai loại: loại trụ (core type) và loại bọc (shell type) Dây quấn: dùng dây đồng tiết diện tròn hoặc tiết diện hình chữ nhật - Cuộn dây quấn sơ cấp (Primary Winding) - Cuộn dây quấn thứ cấp (Secondary Winding) BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI CHƯƠNG 2: MÁY BIẾN ÁP PHẦN A: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA II. Cấu tạo MBA 1 pha. Hình : Máy biến áp một pha loại trụ BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI CHƯƠNG 2: MÁY BIẾN ÁP PHẦN A: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA II. Cấu tạo MBA 1 pha. Hình : Máy biến áp một pha loại bọc BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI CHƯƠNG 2: MÁY BIẾN ÁP PHẦN A: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA II. Cấu tạo MBA 1 pha. Mạch từ hình xuyến BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI CHƯƠNG 2: MÁY BIẾN ÁP PHẦN A: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA II. Cấu tạo MBA 1 pha. BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI CHƯƠNG 2: MÁY BIẾN ÁP PHẦN A: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA III. Nguyên lý hoạt động. u1 e1 i1 N1 N2 e2 i2 u2 Hình : Nguyên lý làm việc cơ bản của máy biến áp u1, N1  dt dNe 11   dt dNe 22   (  = msinωt) e1, e2 : sức điện động cảm ứng sơ cấp và thứ cấpi1  BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI CHƯƠNG 2: MÁY BIẾN ÁP PHẦN A: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA III. Nguyên lý hoạt động. ) 2 tsin(NtcosN dt )tsin(d Ne m1m1 m 11     ) 2 sin(22    tNe m m22 m1 m1 1 m11 m1m1m1 fN44,4E fN44,4 2 N.f.2E )2tsin(Ee fN2NE       Tỉ số biến áp: 2 1 2 1 N N E Ek  2 1 1 2 2 1 N N I I U Uk Hiệu suất MBA cao, tổn thất không đáng kể: U1 I1 = U2 I2  Sức điện động sẽ chậm pha hơn so với từ thông  góc /2 BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI CHƯƠNG 2: MÁY BIẾN ÁP PHẦN A: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA Các đại lượng trên nhãn máy ( định mức ) - Điện áp định mức sơ cấp: U1đm (V, KV) - Điện áp định mức thứ cấp: U2đm (V, KV) khi MBA không tải - Dòng điện định mức sơ cấp: I1đm (A, KA) - Dòng điện định mức thứ cấp: I2đm (A, KA) Khi MBA đầy tải - Công suất định mức : công suất biểu kiến phía thứ cấp của máy biến áp : Sđm (VA, KVA), Sđm = S2 = U2đm. I2đm Hiệu suất MBA cao Sđm = S1 = U1đm. I1đm Tần số định mức: fđm(Hz) Hiệu suất % BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI CHƯƠNG 2: MÁY BIẾN ÁP PHẦN A: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA IV. Sơ đồ tương đương MBA một pha. Cuộn dây quấn trên lõi thép r jx Tổng trở cuộn dây quấn sơ cấp : z1 = r1 + jx1 Tổng trở z = r + jx z2 = r2 + x2 Tổng trở cuộn dây quấn thứ cấp : z2 = r2 + jx2 Tổng trở mạch từ : zm = rm + jxm r1 jx1 r2 jx2 rm jxm ztảiU1 U2 I1 I2 E1 E2 BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI CHƯƠNG 2: MÁY BIẾN ÁP PHẦN A: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA IV. Sơ đồ tương đương MBA một pha. Trong một sơ đồ có 2 cấp điện áp khác nhau, phải quy đổi về một cấp U1 hoặc U2 ( thông thường quy đổi về sơ cấp U1) E’2 : sức điện động thứ cấp quy đổi về sơ cấp, nên E1 = E’2 21 2 1 2 1 .EkE N N E Ek  E’2 = k. E2 U’2 : điện áp thứ cấp quy đổi về sơ cấp, I’2 : dòng điện thứ cấp quy đổi về sơ cấp, U’2 = k. U2 I’2 =I2 /k 2 2 2 ' '' I Uz  z’2 : tổng trở cuộn dây thứ cấp quy đổi về sơ cấp, kI Uk / . 2 2 2 2 I U = k2 =k2.z2 z’2 = k2. z2 r’2 = k2. r2 x’2 = k2. x2 BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI CHƯƠNG 2: MÁY BIẾN ÁP PHẦN A: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA r1 jx1 r’2 jx’2 rm jxm z’tảiU1 U’2 I1 I’2 E1 E’2 Sơ đồ tương đương MBA một pha trước khi quy đổi: r1 jx1 r2 jx2 rm jxm ztảiU1 U2 I1 I2 E1 E2 Sơ đồ tương đương MBA một pha sau khi quy đổi: r1  r’2 << rm x1  x’2 << xm BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI CHƯƠNG 2: MÁY BIẾN ÁP PHẦN A: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA V. Tính toán các thông số trên mạch tương đương MBA. Tính toán các thông số r1 , x1 , r2(r’2), x2 (x’2), rm , xm. Qua hai thí nghiệm: - Thí nghiệm không tải MBA 1 pha. - Thí nghiệm ngắn mạch MBA 1 pha. V. Tính toán các thông số trên mạch tương đương MBA. 1. Thí nghiệm không tải MBA 1 pha. zUo Io r1 jx1 r’2 jx’2 rm jxm E1 E’2 U1đm V A W MBA thí nghiệm Uo Io Po Sơ đồ tương đương MBA khi không tải V. Tính toán các thông số trên mạch tương đương MBA. 1. Thí nghiệm không tải MBA 1 pha. r1 jx1 rm jxm zUo Io E1 E’2 Sơ đồ tương đương MBA khi không tải ro = r1 + rm xo = x1 + xm ro jxo Uo Io, Po Tổng trở MBA không tải zo Điện trở MBA không tải ro Điện kháng MBA không tải xo V. Tính toán các thông số trên mạch tương đương MBA. 1. Thí nghiệm không tải MBA 1 pha ( Uo = U1đm ). ro jxo Uo Io, Po Qua thí nghiệm có: Io , Po , Uo o o o I Uz  2 0 0 0 I Pr  2 0 2 00 rZx  Hệ số công suất MBA không tải: r1  r’2 << rm x1  x’2 << xm ro = rm xo = xm 0 0 0 z rcos  0o 0 I.U P  tổn thất MBA không tải = tổn hao mạch từ Po = PFe V. Tính toán các thông số trên mạch tương đương MBA. 2. Thí nghiệm ngắn mạch MBA 1 pha. Un In U V A1 W MBA thí nghiệm Un In Pn Sơ đồ tương đương MBA khi ngắn mạch A2 Variac =I1đm I2đm r1 jx1 r’2 jx’2 rm jxm E1 E’2 V. Tính toán các thông số trên mạch tương đương MBA. 2. Thí nghiệm ngắn mạch MBA 1 pha. Sơ đồ tương đương MBA khi ngắn mạch Un In r1 jx1 r’2 jx’2 rm jxm Un In r1 jx1 r’2 jx’2 r1  r’2 << rm x1  x’2 << xm Do r1 + r’2 = rn x1 + x’2 = xn Đặt Un In rn jxn r1 = r’2 = rn/ 2 x1 = x’2 = xn/ 2 V. Tính toán các thông số trên mạch tương đương MBA. 2. Thí nghiệm ngắn mạch MBA 1 pha ( In = I1đm ). Qua thí nghiệm có: In , Pn , Un n n n I Uz  2 n n n I Pr  2 n 2 nn rZx  Hệ số công suất MBA ngắn mạch n n n z rcos  nn n I.U P  Un In ,Pn rn jxn r1 = r’2 = rn/ 2 x1 = x’2 = xn/ 2 r2 = r’2/ k2 x2 = x’2/ k2 tổn thất MBA ngắn mạch = tổn hao dây quấn Pn= PCu V. Tính toán các thông số trên mạch tương đương MBA. 3. Độ biến thiên điện áp thứ cấp 222 UUU đm  U2 : điện áp thứ cấp khi có tải. Độ biến thiên điện áp thứ cấp: Độ biến thiên điện áp thứ cấp phần trăm: 100100 1 11 2 22      đm đm đm đm U UU U UU%U )sin%Ucos%U(%U nxnr 22  Điện áp ngắn mạch Un (V) Điện áp ngắn mạch phần trăm Un (%) 100 1  đm n n U )V(U(%)U Điện áp ngắn mạch thành phần điện trở Unr (%), điện kháng Unx (%) nnnx nnnr x.I)V(U r.I)V(U   100100 100100 1 1 1 1 x U x.Ix U )V(U(%)U x U r.Ix U )V(U(%)U đm nn đm nx nx đm nn đm nr nr   nnnx nnnr sin.UU cos.UU   V. Tính toán các thông số trên mạch tương đương MBA. 3. Độ biến thiên điện áp thứ cấp + Nếu tải trở : 2Cos = 1, + Nếu tải cảm : + Nếu tải dung : I trễ pha so với U, trễ2Cos I sớm pha so với U, sớm2Cos Sụt áp Tăng áp 2sin = 0, 2Cos > 0, 2sin > 0, 2Cos > 0, 2sin < 0, là hệ số tải  đmI I 1 1 đmI I 2 2 2Cos : hệ số công suất của tải V. Tính toán các thông số trên mạch tương đương MBA. 4. Tổn hao và hiệu suất của máy biến áp + Tổn hao MBA bao gồm : 100 P P% 1 2  Tổn hao dây quấn PCu: tổn hao đo được trong thí nghiệm ngắn mạch Pn= PCu Tổn hao mạch từ PFe: tổn hao đo được trong thí nghiệm không tải Po= PFe Tổng tổn hao MBA : P = P o + Pn 2 Công suất tác dụng phần sơ cấp và thứ cấp của MBA : P1, P2 P1 = P2 + P + Hiệu suất MBA : 1002 02 2 x PPcosS cosS nđm đm    Bài 1 : Cuộn dây cao áp của một máy biến áp có điện áp định mức là 480 V và có 400 vòng. Cuộn hạ áp có bao nhiêu vòng nếu điện áp định mức là 120 V. Bài 2 : Một điện trở 5 ohm được nối vào cuộn thứ cấp 120 V của một biến áp hạ áp. Nếu dòng điện cuộn sơ cấp là 6 A thì điện áp cuộn sơ cấp là bao nhiêu? Bài 3 : Một máy biến áp 1000 kVA; 24000/2400 V, hoạt động ở 40 V/vòng. Tìm số vòng mỗi cuộn dây và dòng định mức của mỗi cuộn. Bài 4 : Một máy biến áp cung cấp một tải 30 A ở 240 V. Nếu điện áp sơ cấp là 2400 V, tính dòng điện phía sơ cấp.