Chương 1 : MÁY BIẾN ÁP I. KHÁI NIỆM CHUNG & TỔ ĐẤU DÂY CỦA MÁY BIẾN ÁP: 1. Đại cương: Để dẫn điện từ các trạm phát điện đến hộ tiêu thụ cần có đường dây tải điện (hình 1. Muốn truyền tải công suất lớn đi xa mà ít tổn hao và tiết kiệm kim loại màu, trên đường dây tải ta phải dùng điện áp cao (thường là 35, 110, 220 hay 500 KV).
Trên thực tế, các máy phát điện không có khả năng phát ra những điện áp cao như vậy (thường chỉ từ 3 21 KV), do đó phải có thiết bị tăng điện áp ở đầu đường dây lên và giảm điện áp xuống giá trị yêu cầu (380V, 220V, 24V….) ở hộ tiêu thụ, các thiết bị đó gọi là các máy biến áp. Định nghĩa: Máy biến áp là một thiết bị điện từ đứng yên, làm việc trên nguyên lý cảm ứng điện từ, biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp này thành một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp khác với tần số không thay đổi. Nguyên lý làm việc cơ bản của máy biến áp: Xét máy biến áp một pha hai dây quấn: dây quấn sơ cấp (nối với nguồn) có W1 vòng dây, dây quấn thứ cấp (nối với phụ tải) có W2 vòng dây được quấn trên lõi thép. Khi đặt một điện áp xoay chiều u1 vào dây quấn sơ cấp, trong đó sẽ có dòng i1.
Trong lõi thép sẽ sinh ra từ thông móc vòng với cả hai dây quấn, cảm ứng ra các suất điện động e1 và e2. Dây quấn thứ cấp có suất điện động sẽ sinh ra dòng điện i2 đưa ra tải với điện áp là u2. Như vậy, năng lượng của dòng điện xoay chiều đã được truyền từ dây quấn sơ cấp sang dây quấn thứ cấp. Trang 1 Máy điện Giả sử điện áp xoay chiều đặt vào là một hàm số hình sin thì từ thông do nó sinh ra cũng là hàm số hình sin: = m sinwt Theo định luật cảm ứng điện từ, suất điện động cảm ứng trong các cuộn dây là: d e1 W1 W1 m cost 4,44 fW1 m 2 sint dt 2 d e2 W2 W2 m cost 4,44 fW2 m 2 sint dt 2 e1 = E1 2 sin (wt - / 2 ) trong đó: E1 = 4,44fW1m e2 = E2 2 sin (wt - / 2 ) trong đó: E2 = 4,44fW2m E1 W1 Hệ số máy biến áp: k E2 W2 - Nếu bỏ qua điện trở dây quấn và từ thông tản ra không khí, có thể coi U1 E1 ; U2 E2 ; bỏ qua tổn hao trong máy biến áp (U1I1 U2I2), ta có: E1 W1 U1 I k 2 E2 W2 U 2 I1 Nếu k 1 thì U1 U2 : máy biến áp giảm áp.
k 1 thì U1 U2 : máy biến áp tăng áp. Các đại lượng định mức: Do nhà chế tạo qui định và thường ghi trên nhãn máy biến áp. Dung lượng hay công suất định mức Sđm (KVA, VA): công suất biểu kiến đưa ra ở dây quấn thứ cấp của máy biến áp. Điện áp sơ cấp định mức U1đm (KV, V): điện áp của dây quấn sơ cấp, nếu có các đầu phân nhánh thì ta ghi từng đầu phân nhánh.
Điện áp thứ cấp định mức U2đm (KV, V): điện áp của dây quấn thứ cấp khi máy biến áp không tải và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức. Dòng điện định mức sơ cấp I1đm và thứ cấp I2đm (KA, A). * Qui ước: Giá trị định mức của máy biến áp một pha là điện áp pha và dòng điện pha; của máy biến áp ba pha là điện áp dây và dòng điện dây. Trang 2 Máy điện Đối với máy biến áp một pha: Sđm = U2đmI2đm = U1đmI1đm Đối với máy biến áp ba pha: Sđm = 3 U2đmI2đm = 3 U1đmI1đm Tần số định mức fđm , các máy biến áp điện lực có fđm = 50 Hz.
Ngoài ra, trên nhãn còn ghi: số pha m, sơ đồ và tổ nối dây quấn, điện áp ngắn mạch un%, chế độ làm việc, phương pháp làm lạnh…. Các loại máy biến áp chính: Máy biến áp điện lực: dùng để truyền tải và phân phối công suất. Máy biến áp chuyên dùng: dùng trong các lò luyện kim, cho các thiết bị chỉnh lưu, máy biến áp hàn điện…. Máy biến áp tự ngẫu.
Máy biến áp đo lường: giảm các điện áp và dòng điện lớn đưa vào đồng hồ đo. Máy biến áp thí nghiệm: dùng thí nghiệm các điện áp cao. Cấu tạo máy biến áp : Gồm các bộ phận chính sau: lõi thép, dây quấn và vỏ máy. Lõi thép: Dùng làm mạch dẫn từ và làm khung để quấn dây.
Theo hình dáng lõi thép ta có: - Máy biến áp kiểu lõi hay kiểu trụ: dây quấn bao quanh trụ thép, rất thông dụng cho các máy biến áp một pha và ba pha có dung lượng nhỏ và trung bình (hình 1. - Máy biến áp kiểu bọc: mạch từ được phân nhánh ra hai bên và bọc lấy một phần dây quấn; dùng trong lò luyện kim, vô tuyến điện … Trang 3 Máy điện Ở các máy biến áp hiện đại, dung lượng lớn (80 100 MVA trên một pha), điện áp thật cao (220 500 KV), để giảm chiều cao trụ thép, tiện cho việc vận chuyển, mạch từ của máy biến áp kiểu trụ được phân nhánh sang hai bên nên gọi là máy biến áp kiểu trụ-bọc. Lõi thép máy biến áp gồm hai phần: Phần trụ (T) và phần gông (G). Trụ là phần lõi thép có dây quấn, gông là phần lõi thép nối các trụ lại với nhau thành mạch từ kín và không có dây quấn.
Lõi thép được ghép từ những lá thép kỹ thuật điện dầy 0,35 mm 0,5 mm có phủ lớp cách điện. Trụ và gông có thể ghép nối hoặc ghép xen kẽ. Hầu hết các máy biến áp hiện nay đều dùng kiểu ghép xen kẽ: các lá thép được xếp xen kẽ nhau, sau đó lõi thép được ép chặt bằng xà ép và bulông (giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên và rất bền về cơ học). Vỏ máy phải được nối đất.
Dây quấn: Thường bằng dây đồng, có hai loại (theo cách sắp xếp dây quấn): dây quấn đồng tâm và dây quấn xen kẽ. - Dây quấn đồng tâm: Dây quấn điện áp thấp (dây quấn HA) thường quấn phía trong gần trụ thép còn dây quấn điện áp cao (dây quấn CA) quấn phía ngoài bọc lấy dây quấn HA. Có các kiểu sau đây: Dây quấn hình trụ: Dùng dây tròn (tiết diện dây nhỏ) quấn thành nhiều lớp hoặc dây bẹt (tiết diện dây lớn) thường quấn thành hai lớp. Dây tròn thường làm dây quấn CA (U đến 35 KV), dây bẹt làm dây quấn HA (U 6 KV): dùng cho các máy có S 560 KVA.
Dây quấn hình xoắn: gồm nhiều dây bẹt chập lại quấn theo đường xoắn ốc, giữa các vòng dây có rãnh hở thường dùng cho dây quấn HA của các máy biến áp dung lượng trung bình và lớn. Dây quấn xoắn ốc liên tục: làm bằng dây bẹt, được quấn bằng những bánh dây phẳng cách nhau bằng những rãnh hở, được dùng làm cuộn CA, U 35 KV, dung lượng lớn. - Dây quấn xen kẽ: Các bánh dây CA và HA lần lượt xen kẽ nhau dọc theo trụ thép, để cách điện dễ thì dây quấn HA sát gông, dùng trong máy biến áp kiểu bọc. Vỏ máy: gồm thùng và nắp thùng.
Trang 4 Máy điện - Thùng: làm bằng thép, thường hình bầu dục, chứa dầu để làm mát và tăng cường cách điện. - Nắp thùng: dùng để đậy thùng, trên đó đặt các chi tiết: Các sứ ra của dây quấn CA và HA: cách điện giữa dây dẫn ra với vỏ, U càng cao thì kích thước và trọng lượng sứ ra càng lớn. Bình giản dầu: thùng hình trụ bằng thép đặt trên nắp và nối với thùng bằng một ống dẫn dầu, dùng để theo dõi mức dầu bên trong. Ong bảo hiểm: bằng thép, một đầu nối thùng, một đầu bịt bằng một đĩa thuỷ tinh; khi áp suất trong thùng dầu tăng đột ngột, đĩa thủy tinh vỡ, dầu thoát ra ngoài để máy biến áp không bị hư.
Ngoài ra, trên nắp còn đặt bộ phận truyền động của cầu dao đổi nối các đầu điều chỉnh điện áp của dây quấn CA. Tổ nối dây của máy biến áp : 6. Cách ký hiệu đầu dây: Dây quấn máy biến áp một đầu gọi là đầu đầu, đầu kia gọi là đầu cuối. Với máy biến áp ba pha, các đầu đầu và đầu cuối phải chọn thống nhất: các pha phải chọn đầu đầu tới đầu cuối đi theo một chiều nhất định (theo kim đồng hồ), nếu không điện áp dây lấy ra sẽ mất tính đối xứng.6 Trang 5 Máy điện Đối với máy biến áp ba dây quấn, ngoài dây quấn sơ cấp và thứ cấp còn có dây quấn điện áp trung, ký hiệu: đầu đầu Am, Bm, Cm; đầu cuối Xm, Ym, Zm và đầu trung tính Om.
Các kiểu đấu dây quấn: Dây quấn máy biến áp ba pha có thể đấu hình Y hay hình . Đấu Y: XYZ nối lại với nhau, nếu có dây trung tính thì ký hiệu là Yo. Đấu : đầu cuối pha này nối đầu đầu pha kia: AX-BY-CZ hoặc AX-CZ-BY. Ở máy biến áp truyền tải công suất, thường dây quấn cao áp được đấu Y, dây quấn hạ áp đấu .
Cách đấu được dùng khi không cần điện áp pha. Ngoài ra còn kiểu đấu ziczăc: mỗi pha dây quấn gồm hai nửa cuộn dây ở trên hai trụ khác nhau nối nối tiếp và mắc ngược nhau (hình 1. Kiểu này rất ít dùng vì tốn nhiều đồng hơn, chỉ gặp trong máy biến áp dùng cho thiết bị chỉnh lưu, máy biến áp đo lường để hiệu chỉnh sai số về góc lệch pha. Tổ nối dây của máy biến áp: Được hình thành do sự phối hợp kiểu đấu dây sơ cấp so với kiểu đấu dây thứ cấp, nó biểu thị góc lệch pha giữa các sức điện động dây sơ cấp và dây thứ cấp của máy biến áp.
Góc lệch pha này phụ thuộc các yếu tố: chiều quấn dây, cách ký hiệu các đầu dây, kiểu đấu dây quấn ở sơ cấp và thứ cấp.8 Trang 6 Máy điện Ở máy biến áp ba pha còn do cách đấu dây quấn hình Y hay với những thứ tự khác nhau mà góc lệch pha giữa các sức điện động dây quấn sơ cấp và thứ cấp có thể là 300, 600, … , 3600.