›
›

Bài giảng Kỹ thuật điện - Chương 3: Máy biến áp một pha

ppt 44 trang ngocly 200
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Kỹ thuật điện - Chương 3: Máy biến áp một pha", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pptbai_giang_ky_thuat_dien_chuong_3_may_bien_ap_mot_pha.ppt

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật điện - Chương 3: Máy biến áp một pha

  1. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 3.1.1 Định nghĩa máy biến áp Máy biến áp là một thiết bị điện từ loại tĩnh, làm việc theo 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. - Do đó máy biến áp chỉ làm nhiệm vụ truyền tải hoặc phân phối năng lượng chứ không biến đổi năng lượng. - Thực tế một máy biến áp gồm có hai hoặc nhiều cuộn dây liên hệ nhau bởi từ thông móc vòng. - Nếu một cuộn dây được đặt vào một nguồn điện áp xoay chiều (gọi là cuộn dây sơ cấp), thì sẽ có một từ thông sinh ra với biên độ phụ thuộc vào điện áp sơ cấp và số vòng dây quấn sơ cấp. 1
  2. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 3.1.1 Định nghĩa máy biến áp - Từ thông này sẽ móc vòng các cuộn dây quấn khác (dây quấn thứ cấp) và cảm ứng trong dây quấn thứ cấp có một sức điện động mới, có giá trị phụ thuộc vào số vòng dây quấn thứ cấp. - Với tỷ số tương ứng giữa số vòng dây quấn sơ cấp và thứ cấp chúng ta sẽ có tỷ lệ tương ứng giữa điện áp sơ cấp và thứ cấp. 3.1.2 Nguyên lý hoạt động của máy biến áp - Nguyên lý hoạt động của máy biến áp dựa trên ý niệm về cảm ứng điện từ. - Để tăng hiệu quả, mạch từ được cấu tạo bởi vật liệu dẫn từ tốt (vật liệu tole silic) thay vì dùng mạch từ là không khí. - Ta hãy xét sơ đồ nguyên lý của một máy biến áp như hình 3.1. 2
  3. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 3.1.2 Nguyên lý hoạt động của máy biến áp Hình 3.1 Sơ đồ máy biến áp một pha hai dây quấn. - Dây quấn 1 có N1 vòng dây và dây quấn 2 có N2 vòng dây được quấn trên lõi thép 3. - Khi đặt một điện áp xoay chiều U1 vào dây quấn 1 (dây quấn sơ cấp), sẽ có dòng điện i1 chạy trong dây quấn 1. 3
  4. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 3.1.2 Nguyên lý hoạt động của máy biến áp - Trong lõi sinh ra từ thông  móc vòng với cả hai dây quấn 1 và 2, cảm ứng ra các sức điện động e1 và e2. - Dây quấn 2 (dây quấn thứ cấp) có sức điện động e2, sẽ sinh ra dòng điện i2 đưa ra tải với điện áp xoay chiều u2. - Như vậy năng lượng của dòng điện xoay chiều đã được truyền từ dây quấn 1 sang dây quấn 2. - Giả sử điện áp xoay chiều đặt vào là một hàm số hình sin, thì từ thông do nó sinh ra cũng là một hàm số hình sin: Φ =Φ sin.t m (3.1) 4
  5. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 3.1.2 Nguyên lý hoạt động của máy biến áp - Theo định luật cảm ứng điện từ các sức điện động cảm ứng e1, e2 sinh ra trong cuộn sơ cấp và thứ cấp là: d O O e1 = − N1 = N1 m sin (t − 90 ) = E1 2 sin (t − 90 ) (3.2) dt d e = − N = N   sin (t − 90O ) = E 2 sin (t − 90O ) (3.3) 2 2 dt 1 m 2 Với: N1m E1 = = 2N1fm = 4,44N1fm 2 (3.4) N 2 m E 2 = = 2N 2fm = 4,44N 2fm 2 (3.5) là các trị số hiệu dụng của các sức điện động e1 và e2. 5
  6. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 3.1.2 Nguyên lý hoạt động của máy biến áp - Các biểu thức (3.2) và (3.3) cho thấy sức điện động cảm ứng trong dây quấn luôn chậm pha với từ thông sinh ra nó một góc 900. - Tỷ số biến đổi của máy biến áp được định nghĩa như sau: E N k = 1 = 1 (3.6) E 2 N 2 - Nếu bỏ qua điện áp rơi trên các dây quấn, thì có thể xem E1 U1 và E2 U2 , do đó k được xem như là tỷ số biến áp giữa dấy quấn 1 và dây quấn 2: U E N 1 1 = 1 =k (3.7) U 2 E 2 N 2 6
  7. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 3.1.2 Nguyên lý hoạt động của máy biến áp - Nếu bỏ qua tổn hao trong máy biến áp thì U1I1 = U2I2. Vậy: U I 1 = 2 =k (3.8) U2 I1 - Nếu N2> N1 thì U2 > U1, I2 I1: máy giảm áp 3.1.3 Các đại lượng định mức - Các đại lượng định mức của máy biến áp do nhà chế tạo qui định sao cho máy làm việc lâu dài, gồm có: điện áp định mức, dòng điện định mức và công suất định mức. 7
  8. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 3.1.3 Các đại lượng định mức 1- Điện áp định mức dây quấn sơ cấp U1đm: là điện áp đã qui định cho dây quấn sơ cấp. 2- Điện áp định mức dây quấn thứ cấp U2đm: là điện áp hai đầu dây quấn thứ cấp (hở mạch) khi điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức. Với máy ba pha, điện áp định mức là điện áp dây. Đơn vị tính V, kV. 3- Dòng điện định mức sơ cấp I1đm và thứ cấp I2đm: là dòng điện đã qui định cho mỗi dây quấn, ứng với công suất định mức và điện áp định mức. Với máy ba pha, dòng điện định mức là dòng điện dây. Đơn vị tính A, kA. 8
  9. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 3.1.3 Các đại lượng định mức 4- Công suất định mức Sđm của máy: là công suất toàn phần (hay biểu kiến) thứ cấp ở chế độ định mức. Đơn vị tính VA, kVA, MVA. Ta có: Máy một pha: Sđm = U2đm I2đm= U1đm I1đm (3.9) Máy ba pha: Sđm = 3 U2đm I2đm= U1đm I1đm (3.10) 5- Tần số định mức fđm có đơn vị Hz. 6- Các đại lượng định mức khác: số pha m, sơ đồ và tổ nối dây quấn. Điện áp ngắn mạch Un%. Chế độ làm việc: ngắn hạn hay dài hạn. 9
  10. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 3.1.4 Cấu tạo máy biến áp - Máy biến áp có các bộ phận chính như sau: lõi thép (mạch từ), dây quấn và vỏ máy. 3.1.4.1 Lõi thép máy biến áp - Lõi thép dùng làm mạch từ, để dẫn từ thông, đồng thời làm khung để đặt dây quấn. - Thông thường để giảm tổn hao do dòng điện xoáy sinh ra, lõi thép cấu tạo gồm các lá thép kỹ thuật điện (tole silic) dày 0,35 mm ghép lại đối với máy biến áp hoạt động ở tần số đến vài trăm Hertz. - Đối với các máy biến áp dùng trong lĩnh vực thông tin, tần số cao, thường cấu tạo bởi các lá thép permalloy ghép lại. - Theo hình dạng lõi thép, có hai loại mạch từ: 10
  11. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 3.1.4 Cấu tạo máy biến áp - Kiểu trụ (hình 3.2a): gồm hai cuộn dây nằm trên hai trụ của lỏi thép chữ nhật. Loại này có khuyết điểm là từ tản giữa hai cuộn quá lớn nên máy bị sụt áp nhiều. - Kiểu bọc (hình 3.2b): gồm hai cuộn dây đồng tâm, cuộn hạ áp nằm trong (sát lỏi thép), cuộn cao áp nằm ngoài để dễ cách điện. Hình 3.2 Mạch từ của máy biến áp 11
  12. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 3.1.4 Cấu tạo máy biến áp 3.1.4.2 Dây quấn máy biến áp - Dây quấn máy biến áp làm nhiệm vụ truyền dẫn năng lượng, thường bằng đồng hoặc nhôm. - Theo cách sắp xếp và bố trí của dây quấn cao áp và hạ áp người ta chia thành hai loại dây quấn chính: dây quấn đồng tâm và dây quấn xen kẻ. + Dây quấn đồng tâm: tiết diện ngang là những vòng tròn đồng tâm. Dây quấn hạ áp thường quấn phía trong gần trụ thép, còn dây quấn cao áp quấn phía ngoài bọc lấy dây quấn hạ áp (Hình 3.3). + Dây quấn xen kẽ: các bánh dây của dây quấn cao áp và hạ áp quấn xen kẽ nhau dọc theo trụ thép (Hình 3.4). 12
  13. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 3.1.4 Cấu tạo máy biến áp Hình 3.3 Hình 3.4 13
  14. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 3.1.4 Cấu tạo máy biến áp 3.1.4.3 Vỏ máy Gồm hai bộ phận: thùng và nắp thùng a - Thùng máy biến áp: thường cấu tạo bằng thép, có dạng tròn hay bầu dục. - Để đảm bảo tuổi thọ vận hành của máy biến áp, phải tăng cường làm mát máy, bằng cách ngâm máy biến áp trong thùng đựng đầy dầu. - Nhờ sự đối lưu trong dầu, nhiệt truyền từ các bộ phận bên trong máy biến áp sang dầu, rồi từ dầu qua vách thùng ra môi trường xung quanh. - Tùy theo dung lượng của máy biến áp, chúng ta có hình dáng và kết cấu của thùng dầu khác nhau. 14
  15. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 3.1.4 Cấu tạo máy biến áp - Đối với máy biến áp dung lượng từ 30 kVA trở xuống, thường dùng loại thùng dầu đơn giản vỏ ngoài phẳng. - Đối với máy biến áp cở trung bình và lớn, người ta thường dùng loại thùng có cánh tản nhiệt (Hình 3.5). Hình 3.5 Thùng máy biến áp có cánh tản nhiệt 15
  16. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 3.1.4 Cấu tạo máy biến áp b - Nắp thùng: dùng để đậy kín thùng dầu, và trên đó có các chi tiết khác như: - Sứ cách điện đầu ra của dây quấn hạ và cao thế. - Bình giãn dầu: dầu trong thùng máy biến áp thông qua bình giãn dầu giãn nở tự do. - Ống bảo hiểm: làm bằng thép, thường là hình trụ nghiêng. Một đầu nối với thùng, một đầu bịt bằng một đĩa thủy tinh. Nếu vì một lý do nào đó, áp suất trong thùng dầu tăng lên đột ngột, đầu thủy tinh sẽ vỡ, dầu theo đó phụt ra ngoài để giảm áp suất nén trong thùng (Hình 3.6). - Bộ điều chỉnh điện áp của dây quấn cao áp. 16
  17. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 3.1.4 Cấu tạo máy biến áp Hình 3.6 Bình giãn dầu và ống bảo hiểm 17
  18. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 3.1.5 Công dụng của máy biến áp - Máy biến áp dùng để tăng điện áp từ máy phát điện lên đường dây tải điện đi xa, và giảm điện áp ở cuối đường dây để cung cấp cho tải. - Ngoài ra, chúng còn được dùng trong các lò nung, hàn điện, đo lường hoặc làm nguồn điện cho các thiết bị điện, điện tử. 18
  19. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.2 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG KHÔNG TẢI - Nghiên cứu chế độ hoạt động không tải của máy biến áp là rất cần thiết. - Qua đó, chúng ta có thể xác định được các đại lượng chính của máy biến áp, bằng phương pháp tính toán và phương pháp thực nghiệm như: tỷ số biến áp, dòng điện không tải và tổn hao không tải. - Hơn nữa, phối hợp giữa đặc tính không tải và đặc tính có tải, chúng ta có thể xác định được hiệu suất của máy biến áp. 3.2.1 Phương trình điện áp Xét một máy biến áp một pha với sơ đồ nối dây như hình 3.7 U1 = U1m .cos.t = 2.U1.cos2. . f .t (3.11) 19
  20. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.2 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG KHÔNG TẢI 3.2.1 Phương trình điện áp Hình 3.7 Sơ đồ nối dây của máy biến áp một pha với dây quấn thứ cấp hở mạch, dây quấn sơ cấp đặt vào một điện áp xoay chiều hình sin 20
  21. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.2 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG KHÔNG TẢI 3.2.1 Phương trình điện áp Nếu bỏ qua điện trở của dây quấn, nghĩa là r1 = 0, thì điện áp sẽ là: d U1 = −e1 = +N1. (3.12) dt 1 t E t  = − e .dt = 1m cos.t.dt =  sin .t Và từ thông: 1 m (3.13) N1 0 N1 0 E1m 2.E1 với:  m = = (3.14) N1. N1.2 . f Giá trị hiệu dụng của sức điện động e1 sẽ là: E1m 2 E1 = = f .N1. m = 4,44. f .N1. m (3.15) 2 2 21
  22. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.2 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG KHÔNG TẢI 3.2.1 Phương trình điện áp Tương ứng, giá trị hiệu dụng của sức điện động e2 ở dây quấn thứ cấp sẽ là: E2m 2 E2 = = f .N 2 . m = 4,44. f .N 2 . m (3.15) 2 2 - Theo đồ thị ở hình 3.8, chúng ta thấy từ thông  chậm pha so với 0 điện áp U1 một góc 90 và sớm pha hơn sức điện động e1 và e2 một góc 900. 22
  23. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.2 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG KHÔNG TẢI 3.2.1 Phương trình điện áp Hình 3.8 Giản đồ vectơ của máy biến áp 1 pha 23
  24. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.2 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG KHÔNG TẢI 3.2.2 Dòng điện không tải - Dòng điện i0 chạy trong dây quấn sơ cấp khi dây quấn thứ cấp hở mạch được gọi là dòng điện không tải. - Nếu không kể đến tổn hao trong lõi thép thì dòng điện i0 thuần túy chỉ là dòng điện phản kháng i0 = i0x, dùng để từ hóa lõi thép. - Do đó quan hệ giữa  = f(i0) cũng chính là quan hệ từ hóa B = f(H) của lõi thép mạch từ. - Vì từ thông biến thiên theo thời gian theo hàm hình sin, biểu thức (3.14) chúng ta có thể sử dụng đường cong từ hóa B = f(H) để xác định sự biến thiên của dòng điện i0 theo thời gian (Hình 3.9). 24
  25. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.2 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG KHÔNG TẢI 3.2.2 Dòng điện không tải Hình 3.9 Đồ thị biến thiên của từ thông và dòng điện theo thời gian - Trước hết chúng ta dựng đặc tính từ thông  = m.sint và qua đó xác định các giá trị tức thời của i0 tương ứng với giá trị của các từ thông . 25
  26. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.2 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG KHÔNG TẢI 3.2.2 Dòng điện không tải - Ví dụ: lấy giá trị  tại điểm 1 và tương ứng tại điểm 2 sẽ xác định giá trị của i0 tương ứng tại điểm 5 (qua các điểm 3 và 4), giao nhau giữa đường nằm ngang và kéo dài từ điểm 4 và đường thẳng đứng kéo từ điểm 1. - Chúng ta thấy với từ thông hình sin thì dòng điện không tải i0 sẽ không là hình sin mà có dạng nhọn đầu và trùng pha với . - Hàm tuần hoàn i0 ngoài thành phần sóng cơ bản i01, còn có các thành phần sóng điều hòa bậc cao: bậc 3 (i03), bậc 5 (i05), bậc 7 (i07), , trong đó thành phần i03 là đáng kể nhất. - Chính thành phần i03 này có tác dụng làm cho dòng điện từ hóa có dạng nhọn đầu. 26
  27. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.2 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG KHÔNG TẢI 3.2.2 Dòng điện không tải - Nếu mạch từ càng bão hòa từ thì i0 càng nhọn đầu, nghĩa là i03 càng lớn. - Khi kể đến tổn hao trong lõi thép, thì quan hệ giữa  và i0 được suy từ quan hệ từ hóa B = f(H) khi đó tương tự như phương pháp trên, cho thấy dòng điện không tải i0 có dạng nhọn đầu, nhưng vượt pha so với từ thông  một góc . - Góc này lớn hay nhỏ là tùy theo mức độ trễ của B đối với H nhiều hay ít. - Vì thế được gọi là góc tổn hao từ trễ. 27
  28. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.2 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG KHÔNG TẢI 3.2.2 Dòng điện không tải - Hình 3.10 biểu diễn sơ đồ vectơ của máy biến áp khi không kể đến tổn hao trên lõi thép mạch từ (hình 3.10a) và khi có kể đến tổn hao trên lõi thép mạch từ (hình 3.10b). Hình 3.10 28
  29. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.2 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG KHÔNG TẢI 3.2.2 Dòng điện không tải - Dòng điện không tải i0 gồm hai thành phần: + Thành phần phản kháng I0x: là dòng điện từ hóa lõi thép tạo nên từ thông và cùng chiều với từ thông. + Thành phần tác dụng I0r: là dòng điện gây nên tổn hao sắt từ trong lõi thép. Giá trị hiệu dụng: 2 2 I 0 = I 0r + I 0x (3.16) 29
  30. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.2 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG KHÔNG TẢI 3.2.2 Dòng điện không tải trên thực tế I0r < 10%.I0, nghĩa là góc thường rất nhỏ, do đó có thể xem: I0x = I0 - Dòng điện không tải I0 thông thường nằm trong phạm vi từ 0,05 đến 0,1 dòng điện định mức của cuộn dây sơ cấp. 3.2.3 Tổn hao không tải - Tổn hao không tải P0 của máy biến áp bao gồm các tổn hao lõi thép PFe và tổn hao phần đồng trong dây quấn sơ cấp PCu1. 30
  31. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.2 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG KHÔNG TẢI 3.2.3 Tổn hao không tải - Tổn hao thép PFe: thông thường khoảng 0,1% đến 0,2% của tổng công suất máy biến áp bao gồm: tổn hao do từ trễ Ph, tỷ lệ với tần số từ hóa f và tỷ lệ bình phương với cảm ứng từ B2 và tổn hao do dòng 2 xoáy Px, tỷ lệ với bình phương tần số f và bình phương cảm ứng từ B2. Thực tế tính toán có thể sử dụng biểu thức sau: 2 f 1,3 PFe = Ph + Px =  P1,0 / 50.Bk ( ) .mk (3.17) k 50 với: P1,0/50 – suất tổn hao của lõi thép ở tần số từ hóa f = 50Hz với cảm ứng từ là 1,0 Tesla (W/kg). 31
  32. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.2 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG KHÔNG TẢI 3.2.3 Tổn hao không tải mk – khối lượng của lõi thép ở đoạn k (kg). B – cảm ứng từ của lõi thép ở đoạn k (Tesla). - Tổn hao phần đồng PCu1: 2 PCú = r1.I 0 (3.18) thường rất nhỏ (do dòng điện I0 nhỏ) và có thể bỏ qua được, do đó tổn hao không tải P0 của máy biến áp được tính là: P0 = PFe (3.19) 32
  33. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.3 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG CÓ TẢI - Dây quấn thứ cấp của máy biến áp được nối với tải, do đó xuất hiện dòng điện i2 chạy trong dây quấn thứ cấp. - Để thấy rõ quá trình năng lượng trong máy biến áp, chúng ta sẽ khảo sát các quan hệ điện từ trong trường hợp này. 3.3.1 Phương trình cân bằng sức điện động Một máy biến áp một pha được vẽ ở hình 3.11. Hình 3.11 Máy biến áp một pha 33
  34. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.3 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG CÓ TẢI 3.3.1 Phương trình cân bằng sức điện động - Khi đặt vào dây quấn sơ cấp một điện áp xoay chiều U1 sẽ có dòng điện i1 chạy trong nó. Nếu phía thứ cấp nối vào tải nghĩa là sẽ có một dòng điện i2 chạy trong dây quấn. - Các dòng điện i1 và i2 sẽ tạo nên các sức từ động i1.N1 và i2.N2. - Phần lớn từ thông do i1.N1 và i2.N2 sinh ra khép mạch qua lõi thép và móc vòng với cả hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp gọi là từ thông chính . - Từ thông chính sinh ra trong các dây quấn sơ cấp và thứ cấp các sức điện động chính: d d1 e1 = −N1 = − (3.20) dt dt 34
  35. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.3 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG CÓ TẢI 3.3.1 Phương trình cân bằng sức điện động d d e = −N = − 2 (3.21) 2 2 dt dt trong đó: 1 = 1.N1 và 2 = 2.N2 – từ thông móc vòng với dây quấn sơ cấp và thứ cấp ứng với từ thông chính . - Một phần nhỏ từ thông do các sức từ động i1.N1 và i2.N2 sinh ra bị tản ra ngoài lõi thép và khép mạch qua không khí hay môi trường làm việc gọi là từ thông tản sơ cấp 1 và từ thông tản thứ cấp 2. - Các từ thông tản này sinh ra các sức điện động tản tương ứng: d d e = −N 1 = − 1 (3.22) 1 1 dt dt 35
  36. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.3 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG CÓ TẢI 3.3.1 Phương trình cân bằng sức điện động d d e = −N  2 = −  2  2 2 dt dt (3.23) trong đó: 1 = 1.N1 và 2 = 2.N2 – từ thông tản móc vòng với dây quấn sơ cấp và thứ cấp. - Vì các từ thông tản chủ yếu đi qua môi trường không từ tính có độ từ thẩm  = constant nên có thể xem 1 và 2 tỷ lệ với các dòng điện tương ứng sinh ra chúng qua các hệ số điện cảm tản L1 và L2 là các hằng số: 1 = L1.i1 (3.24) 2 = L2.i2 (3.25) 36
  37. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.3 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG CÓ TẢI 3.3.1 Phương trình cân bằng sức điện động Do đó các sức điện động tản sơ cấp và thứ cấp: di1 e1 = −L1 (3.26) dt di e = −L 2  2  2 dt (3.27) - Theo định luật Kirchhoff chúng ta có phương trình cân bằng sức điện động của dây quấn sơ cấp: U1 + e1 + e1 = i1.r1 (3.28) với r1 – là điện trở của dây quấn sơ cấp. Hay 37 U1 = - e1 - e1 + i1.r1 (3.29)
  38. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.3 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG CÓ TẢI 3.3.1 Phương trình cân bằng sức điện động tương tự đối với dây quấn thứ cấp: e2 + e2 = U2 + i2.r2 (3.30) hay U2 = e2 + e2 - i2.r2 (3.31) với r2 – là điện trở của dây quấn thứ cấp. - Nếu điện áp, sức điện động, dòng điện đều là những đại lượng xoay chiều biến thiên theo hàm hình sin với thời gian thì các phương trình (3.29) và (3.31) có thể biểu diễn ở dạng số phức: • • • • U 1 = − E1 − E1 + I 1 .r1 (3.32) 38
  39. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.3 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG CÓ TẢI 3.3.1 Phương trình cân bằng sức điện động • • • • U 2 = E 2 + E 2 − I 2 .r2 (3.33) và sức điện động tản sơ cấp: di dI .sin .t e = −L 1 = −L m = −I ..L .cos.t 1 1 dt 1 dt m 1 = 2.I .x .sin( .t − ) = 2.E .sin( .t − ) (3.34) 1 1 2 1 2 Biểu diễn dưới dạng số phức: • • E1 = − j.I 1 .x1 (3.35) trong đó: x1 = .L1 – là điện kháng tản của dây quấn thứ cấp. 39
  40. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.3 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG CÓ TẢI 3.3.1 Phương trình cân bằng sức điện động - Như vậy, nếu thay các giá trị của E1 và E2 vào các phương trình (3.32) và (3.33), chúng ta sẽ có các phương trình cân bằng sức điện động của dây quấn sơ cấp và thứ cấp viết dưới dạng số phức: • • • • • • • • • U 1 = − E1 + j.I 1 .x1 + I 1 .r1 = − E1 + I 1 .(r1 + j.x1 ) = − E1 + I 1 .Z 1 (3.36) • • • • • • • • • U 2 = E 2 − j.I 2 .x2 − I 2 .r2 = E 2 − I 2 .(r2 + j.x2 ) = E 2 − I 2 .Z 2 (3.37) trong đó: Z1 = r1 + j.x1 và Z2 = r2 + j.x2 – tổng trở của dây quấn sơ cấp và thứ cấp tương ứng. 40
  41. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.3 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG CÓ TẢI 3.3.2 Phương trình cân bằng sức từ động - Lúc máy biến áp làm việc có tải, từ thông chính trong máy là do sức từ động tổng sơ cấp và thứ cấp (i1.N1 - i2.N2) tạo nên. - Nếu hở mạch thứ cấp, lúc này máy biến áp làm việc ở tình trạng không tải với dòng điện trong dây quấn sơ cấp là i0, thì từ thông chính trong lõi thép chỉ do sức từ động i0.N1 sinh ra. - Nếu bỏ qua điện áp rơi I1.Z1 trong máy biến áp, thì điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp bằng sức điện động cảm ứng trong nó do từ thông chính sinh ra. U1 = E1 = 4,44f.N1.m 41
  42. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.3 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG CÓ TẢI 3.3.2 Phương trình cân bằng sức từ động - Nhưng điện áp U1 đặt vào thường được giữ là điện áp định mức và luôn luôn không đổi dù máy biến áp làm việc không tải hay có tải, do đó sức điện động E1 và từ thông m trong máy biến áp luôn luôn có giá trị không đổi. - Như vậy, sức từ động (i1.N1 - i2.N2) sinh ra từ thông chính m lúc có tải phải bằng sức từ động i0.N1 lúc không tải, để đảm bảo sinh ra một từ thông chính không đổi m. i1.N1 - i2.N2 = i0.N1 (3.38) hay viết dưới dạng số phức • • • (3.39) I 1 .N1 − I 2 .N2 = I 0 .N1 42
  43. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.3 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG CÓ TẢI 3.3.2 Phương trình cân bằng sức từ động • • • N2 hay: I 1 − I 2 . = I 0 (3.40) N1 • • • N 2 (3.41) hoặc: I 1 = I 0 + I 2 . N1 • • • ' I 1 = I 0 + I 2 (3.42) • ' • N 2 với: I 2 = .I 2 N1 43
  44. CHƯƠNG 3: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 3.3 MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA HOẠT ĐỘNG CÓ TẢI 3.3.2 Phương trình cân bằng sức từ động Từ biểu thức (3.42), chúng ta thấy, lúc máy biến áp có tải, dòng điện trong dây quấn sơ cấp I1 gồm có hai thành phần: - Một thành phần là I0: dùng để tạo nên từ thông chính trong lõi thép. - Một thành phần là I’2: dùng để bù lại tác dụng của dòng điện thứ cấp. - Do đó khi tải tăng lên, tức dòng điện thứ cấp I2 tăng lên thì thành phần I’2 cũng tăng lên, nghĩa là dòng điện sơ cấp I1 tăng lên để đảm bảo dòng điện I0 không đổi. - Chính vì vậy dây quấn sơ cấp nhận thêm năng lượng từ lưới truyền sang dây quấn thứ cấp cung cấp cho tải. 44