CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY BIẾN ÁP 1.1 Khái niệm chung Định nghĩa: Từ nguyên lý làm việc cơ bản của MBA ta có định nghĩa máy biến áp như sau: máy biến áp là một thiết bị điện từ tĩnh, làm việc dựa 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. Máy biến áp có vai trò rất quan trọng trong hệ thống điện. Để truyền tải điện năng từ các trạm phát điện đến các hộ tiêu thụ cần phải có đường dây tải điện, tuy nhiên nếu khoảng cách giữa nơi sản xuất và hộ tiêu thụ là xa thì sẽ đặt ra một vấn đề rất lớn là: Việc truyền tải điện năng đi xa làm sao cho kinh tế mà vẫn đảm bảo được yêu cầu kĩ thuật. Và câu trả lời cho vấn đề đó là máy biến áp.1 Sơ đồ truyền tải điện Theo lý thuyết đã biết, khi truyền tải cùng một công suất trên một đường dây, nếu điện áp được tăng lên thì dòng điện trên đường dây sẽ giảm, giúp giảm kích thước dây và giảm trọng lượng cũng như chi phí cho đường dây.
Vì vậy, để truyền tải công suất lớn trên khoảng cách xa một cách kinh tế, người ta sử dụng điện áp cao trên đường truyền như 35, 110, 220 và 500 kV để giảm tổn thất và tiết kiệm kim loại đồng trên đường dây. Trong thực tế, các máy phát điện không có khả năng tạo ra điện áp cao như vậy, thường chỉ có thể tạo ra điện áp từ 3 đến 21KV. Vì vậy, cần có thiết bị để tăng điện áp lên tại đầu đường dây và giảm điện áp tại các hộ tiêu thụ. Thiết bị này được gọi là máy biến áp.
Trong hệ thống điện lực, để truyền tải và phân phối công suất từ nhà máy điện đến các hộ tiêu thụ, thường cần sử dụng 4-5 máy biến áp để tăng giảm điện áp tại các bước khác nhau. Tổng công suất của các máy biến áp trong hệ thống 1 điện lực thường gấp 4-5 lần công suất của trạm phát điện. Trong hệ thống điện lực, các máy biến áp được gọi là máy biến áp điện lực hoặc máy biến áp công suất, và chúng chỉ có nhiệm vụ truyền tải hoặc phân phối năng lượng, không có chức năng biến đổi năng lượng. Ngoài ra, để đáp ứng nhu cầu của các ngành chuyên môn, hiện nay có nhiều loại máy biến áp được sử dụng như máy biến áp chuyên dùng cho các lò điện luyện kim, máy biến áp hàn điện, máy biến áp dùng trong thiết bị chỉnh lưu, máy biến áp dùng cho đo lường và thí nghiệm.
Đồng thời, khuynh hướng phát triển của máy biến áp là thiết kế và chế tạo những máy biến áp có dung lượng lớn, điện áp cao, sử dụng nguyên liệu mới để giảm trọng lượng và kích thước máy. Hiện nay, người ta đã sử dụng loại thép cán lạnh có từ tính tốt và tổn hao sắt thấp để tăng hiệu suất cho máy biến áp. Ngành chế tạo máy biến áp tại Việt Nam đã có từ thời kỳ hoà bình và cho đến nay đã có nhiều đóng góp quan trọng vào sự phát triển của nền kinh tế trong nước. Chúng ta đã sản xuất được nhiều loại máy biến áp khác nhau với số lượng lớn để phục vụ cho nhiều ngành sản xuất trong nước cũng như xuất khẩu sang nhiều quốc gia khác trên thế giới.
Các sản phẩm máy biến áp của Việt Nam đạt chất lượng cao và được tin dùng trên thị trường quốc tế.2 Các đại lượng định mức Máy biến áp có các đại lượng định mức sau: • Dung lượng hay công suất định mức 𝑆𝑑𝑚 là công suất biểu kiến của MBA đưa ra trên dây quấn thứ cấp của nó ở chế độ làm việc định mức, được tính bằng kVA hoặc VA. • Điện áp dây sơ cấp định mức (U1dm) là điện áp của dây quấn sơ cấp tính bằng kV hay V, nếu dây quấn sơ cấp có các đầu phân nhánh thì người ta ghi cả điện áp định mức của từng đầu phân nhánh. • Điện áp dây thứ cấp định mức U2dm là điện áp dây của dây quấn thứ cấp khi máy biến áp không tải và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức, tính bằng kV hay V. • Dòng điện dây định mức sơ cấp I1dm và thứ cấp I2dm là những dòng điện dây của dây quấn sơ cấp và thứ cấp ứng với công suất và điện áp định mức, tính bằng A hay kA.
Ta có cách tính dòng điện là: Đối với MBA 1 pha: 𝑆𝑑𝑚 𝑆𝑑𝑚 𝐼1𝑑𝑚 = ; 𝐼2𝑑𝑚 = 𝑈1𝑑𝑚 𝑈2𝑑𝑚 2 Đối với MBA 3 pha: 𝑆𝑑𝑚 𝑆𝑑𝑚 𝐼1𝑑𝑚 = ; 𝐼2𝑑𝑚 = √3. 𝑈2𝑑𝑚 • Tần số định mức tính bằng Hz, lưới điện Việt Nam fdm = 50Hz Ngoài ra trên nhãn máy của MBA nhà sản xuất còn ghi những số liệu khác như: số pha, sơ đồ và tổ nối dây quấn, điện áp ngắn mạch, chế độ làm việc, phương pháp làm lạnh… 1.3 Các kết cấu chính của MBA Máy biến áp thường dùng các phần chính sau: a) Lõi sắt (hay còn gọi là mạch từ) Mạch từ của MBA được chế tạo từ các lá tôn kỹ thuật điện được các điện với nhau. Có hai loại tôn thường được sử dụng là tôn cán nóng và tôn cán lạnh, nhưng đặc điểm chung là đều có độ từ thẩm cao và suất tổn hao thấp. Mạch từ được ghép lại từ các lá tôn thay vì được làm thành một khối để tăng điện trở của mạch từ, giảm dòng Fucô.
Khi có dòng điện xoay chiều chạy trong cuộn dây của MBA sẽ sinh ra một từ trường biến đổi, từ trường này sinh ra trong mạch từ một dòng điện Fucô, dòng Fucô luôn sinh ra từ trường ngược chống lại nguyên nhân gây ra nó, đồng thời năng lượng của dòng Fucô được chuyển hoá thành nhiệt năng khiến máy biến áp nóng lên và gây ra hao phí. Người ta ghép mạch từ bằng các lá tôn mỏng được sơn cách điện ở 2 phía dọc theo chiều từ trường, khi đó điện trở chung của lõi thép rất lớn sẽ làm giảm ảnh hưởng của dòng Fucô. Vấn đề đặt ra đặt ra là các lá thép cần được ép chặt với nhau để tăng khả năng dẫn từ đồng thời không tạo ra tiếng ồn khi MBA hoạt động. Mạch từ gồm 2 bộ phận chính là trụ và gông.
Trụ là nơi để lồng dây quấn, gông là phần khép kín mạch từ giữa các trụ và là nơi đỡ dấy quấn. Theo sự sắp xếp trụ và gông mà ta có các loại mạch từ: kiểu trụ, kiểu bọc và kiểu trụ - bọc. • Mạch từ kiểu trụ: là loại mạch từ phổ biến hiện nay cho cả máy một pha và ba pha. Là loại mạch từ có cuộn dây ôm lấy trụ, gông nằm trên dưới nhưng không bao bởi dây.
Loại này thường để trụ đứng.2 Mạch từ kiểu trụ • Mạch từ kiểu bọc: gông từ bao lấy trên và dưới dây quấn và bao cả mặt bên dây quấn. Mạch từ như bọc lấy dây quấn nên gọi là mạch từ kiểu bọc. Loại này trụ thường nằm ngang, và loại này thường không cao nên dễ dàng vận chuyển, giảm chiều dài từ dây dẫn đến sứ ra. Nhưng chế tạo mạch từ này lại phức tạp do lá tôn có kích thước khác nhau nhiều, dẫn đến loại này không phổ biến.3 Mạch từ kiểu bọc • Mạch từ kiểu trụ - bọc: là loại trung gian giữa kiểu trụ và kiểu bọc nên gọi là kiểu trụ - bọc, thường được dùng trong các máy biến áp có công suất lớn (trên 100.000 kVA một pha), để giảm bớt chiều cao nên san gông sang hai bên.4 Mạch từ kiểu trụ - bọc Ngoài ra theo sự sắp xếp không gian giữa trụ và gông có thể phân biệt mạch từ đối xứng và không đối xứng.
Dựa trên phương pháp ghép trụ và gông cũng có thể phân ra thành hai kiểu: ghép nối và ghép xen kẽ • Ghép nối là gông và trụ ghép riêng sau đó được đem nối với nhau nhờ xà ép và bu-lông. Ghép kiểu này đơn giản như khe hở không khí lớn do không đảm bảo tiếp xúc tại mối ghép, gây ra tổn hao và dòng không tải lớn, nên kiểu này ít được sử dụng. • Ghép xen kẽ là từng lớp lá thép của trụ và gông lần lượt được đặt xen kẽ, sau đó dùng xà ép và bu-lông ép lại. Lồng dây bằng cách cho dây quấn đã quấn nêm trên ống cách điện bakelit vào trụ sau đó chèn chặt trụ với ống bằng nêm cách điện, sau cùng xếp các lá thép ở gông.
Ghép xen kẽ có khe hở không khí ở mối nối nhỏ hơn và kết cấu mạch từ vững chắc hơn do đó được dùng phổ biến hơn. b) Dây quấn Dây quấn máy biến áp là bộ phận dùng để thu năng lượng vào và truyền tải năng lượng đi. Dây quấn MBA đước chế tạo từ dây đồng, tròn hoặc dạng chữ nhật có bọc cách điện, ngoài ra ở HA có thể dạng băng đồng, Theo phương pháp bố trí dây quấn trên lõi có thể chia dây quấn thành hai kiểu chính: đồng tâm và xen kẽ • Dây quấn đồng tâm: dây quấn HA và CA được quấn thành những ống đồng tâm với nhau, chiều cao thường được thiết kế bằng nhau (hoặc CA thấp hơn HA một ít) để tránh sinh ra lực chiều trục lớn. Cuộn HA thường được đặt phía trong vì khoảng cách cách điện yêu cầu của dây HA là ngắn hơn so với CA, đặt phía trong sẽ tiết kiệm được vật liệu, cuộn CA đặt phía ngoài còn thuận tiện cho việc lấy các đầu dây dẫn điều chỉnh ra bộ điều chỉnh.
Dây quấn đồng tâm được dùng phổ biến trong MBA mạch từ kiểu trụ. 5 • Dây quấn xen kẽ: cuộn HA và CA được quấn thành từng bánh có chiều cao thấp và bố trí xen kẽ nhau do đó giảm được lực dọc trục, để giảm lực hướng kính các bánh được thiết kế với đường kính gần bằng nhau. Loại dây quấn này có nhiều mối hàn giữa các bánh dây nên ít được sử dụng, nhưng vì có nhiều rãnh dầu ngang tốt cho việc tản nhiệt nên vẫn được dùng trong các MBA lò điện hoặc MBA khô để đảm bảo khả năng tản nhiệt được tốt. Ngoài ra theo cách quấn dây ta có thể chia thành các kiểu: - Dây quấn xoáy ốc liên tục - Dây quấn hình xoắn - Dây quấn hình ống dây dẫn hcn - Dây quấn hình ống dây dẫn tròn - Dây quấn kiểu băng đồng Dây quấn xoáy ốc liên tục: đây là kiểu dây quấn mà các vòng dây được quấn xoáy ốc thành nhiều bánh theo đường xoáy ốc phẳng, do đó chiều cao bánh dây bằng chiều cao sợi dây.