BÀI 2: MÁY BIẾN ÁP

2.1. Cấu tạo và công dụng của máy biến áp

2.1.1. Cấu tạo

Máy biến áp bao gồm ba phần chính:

Lõi thép của máy biến áp (Transformer Core)

Cuộn dây quấn sơ cấp (Primary Winding)

Cuộn dây quấn thứ cấp (Secondary Winding)

• • Lõi thép: Được tạo thành bởi các lá thép mỏng ghép lại, về hình dáng có hai loại: loại trụ (core type) và loại bọc (shell type)

  Loại trụ: được tạo bởi các lá thép hình chữ U và chữ I. Một lượng lớn từ trường sinh ra bởi cuộn dây sơ cấp không cắt cuộn dây thứ cấp, hay máy biến áp có một từ thông rò lớn. Để cho từ thông rò ít nhất, các cuộn dây được chia ra với một nửa của mỗi cuộn đặt trên một trụ của lõi thép. 

• Loại bọc: được tạo bởi các lá thép hình chữ E và chữ I. Lõi thép loại này bao bọc các cuộn dây quấn, hình thành một mạch từ có hiệu suất rất cao, được sử dụng rộng rãi.

  

           

  Phần lõi thép có quấn dây gọi là trụ từ, phần lõi thép nối các trụ từ thành mạch kín gọi là gông từ.

• Dây quấn máy biến áp: Được chế tạo bằng dây đồng hoặc nhôm, có tiết diện hình tròn hoặc hình chữ nhật. Đối với dây quấn có dòng điện lớn, sử dụng các sợi dây dẫn được mắc song song để giảm tổn thất do dòng điện xoáy trong dây dẫn.   Bên ngoài day quấn được bọc cách điện.

• Dây quấn sơ cấp (Primary Winding)

• Dây quấn thứ cấp (Second Winding)

   

  Hình 2.3. Hình dạng máy biến áp một pha loại trụ

  

   

  	Hình 2.4. Hình dạng máy biến áp một pha loại bọc

   

   

   

   

   

Dây quấn được tạo thành các bánh dây ( gồm nhiều lớp ) đặt vào trong trụ của lõi thép. Giữa các lớp dây quấn, giữa các dây quấn và giữa mỗi dây quấn và lõi thép phải cách điện tốt với nhau. Phần dây quấn nối với nguồn điện được gọi là dây quấn sơ cấp, phần dây quấn nối với tải được gọi là dây quấn thứ cấp.

Các phần phụ khác

Ngoài 2 bộ phận chính kể trên, để MBA vận hành an toàn, hiệu quả, có độ tin cậy cao ... MBA còn phải có các phần phụ khác như: Võ hộp, thùng dầu, đầu vào, đầu ra, bộ phận điều chỉnh, khí cụ điện đo lường, bảo vệ ...              

 2.1.2 Phân loại máy biến áp

Theo công dụng máy biến áp có thể gồm các loại sau đây:

- Máy biến áp điện lực: Dùng để truyền tải và phân phối điện.

- Máy biến áp chuyên dùng: Dùng cho các lò luyện kim, máy biến áp hàn, các thiết bị chỉnh lưu,…

- Máy biến áp tự ngẫu: Có thể thay đổi điện áp nên dùng để mở máy các động cơ điện xoay chiều.

- Máy biến áp đo lường: Dùng để giảm các điện áp và dòng điện lớn để đưa vào các đồng hồ đo.

- Máy biến áp thí nghiệm: Dùng trong các phòng thí nghiệm điện - điện tử.

Có rất nhiều dạng máy biến áp nhưng tất cả nguyên lý đều giống nhau. Trong bài giảng chúng ta chỉ tập trung xem xét máy biến áp một hoặc ba pha. Còn các máy biến áp khác ta chỉ nghiên cứu sơ qua trong phần cuối chương, các bạn tự tham khảo thêm.

2.1.3 Công dụng của máy bíên áp

Hình 2.5. Hệ thống truyền tải và phân phối điện

 Trong hệ thống điện, máy biến áp dùng để truyền tải và phân phối điện năng. Các nhà máy điện lớn thường ở xa các trung tâm tiêu thụ điện vì vậy phải xây dựng các đường dây truyền tải điện năng.

Thông thường điện áp đầu cực máy phát tối đa khoảng vài chục kV, để truyền tải được công suất lớn và giảm tổn hao công suất trên đường dây bằng cách nâng cao điện áp. Vì vậy ở đầu đường dây đặt máy biến áp tăng áp và vì phụ tải chỉ có điện áp từ 0,4-6kV nên cuối đường dây đặt máy biến áp giảm áp.

2.2. Các đại lượng định mức

2.2.1 Điện áp định mức ở cuộn dây sơ cấp và thứ cấp

Điện áp sơ cấp định mức U_1đm (V, kV): Là điện áp qui định cho dây quấn sơ cấp.

          Điện áp thứ cấp định mức U_2đm (V, kV): Là điện áp của dây quấn thứ cấp khi máy biến áp không tải và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp bằng định mức.

          Chú ý với máy biến áp một pha điện áp định mức là điện áp pha, còn máy biến áp ba pha điện áp là điện áp dây.

2.2.2 Dòng điện định mức ở cuộn dây sơ cấp và thứ cấp

          Dòng điện định mức(A): Là dòng điện qui định cho mỗi cuộn dây máy biến áp ứng với công suất định mức và điện áp định mức

Với máy biến áp một pha:

Với máy biến áp ba pha:

            (2.1)

Hiệu suất MBA:

          h =  =  = (75 - >90)%          (2.2)

Nếu  h = 1 Û S₁ = S₂ Û U_2đm. I_2đm = U_1đm. I_1đm

          Ngoài ra trên máy biến áp còn ghi các thông số khác như: Tần số định mức fđm, số pha m, sơ đồ và tổ nối dây quấn, điện áp ngắn mạch U_n%, chế độ làm việc, phương pháp làm mát,…

2.2.3 Công suất định mức của máy biến áp (S)

          Công suất định mức S_đm (VA, kVA): Là công suất biểu kiến đưa ra ở dây quấn thứ cấp của máy biến áp.

2.3. Nguyên lý làm việc của máy biến áp   

Hình 2.6. sơ đồ nguyên lý máy biến áp một pha

• I₁: Dòng điện sơ cấp.

• I₂: Dòng điện thứ cấp.

• U₁: Điện áp sơ cấp.

• U₂: Điện áp thứ cấp.

• W₁=N₁: Số vòng dây cuộn sơ cấp.

• W2=N2: Số vòng dây cuộn thứ cấp.

• F: Từ thông cực đại sinh ra trong mạch từ.  

  Như hình vẽ nguyên lý làm việc của máy biến áp một pha có hai dây quấn W₁,W₂.

  Khi ta nối dây quấn sơ cấp w₁ vào nguồn điện xoay chiều điện áp u₁ sé có dòng điện sơ cấp i₁ chạy trong dây  quấn sơ cấp w₁. dòng điện i₁ sinh ra từ thông biến thiên chạy trong lõi thép, từ thông này móc vòng đồng thời với với cả 2 cuộn dây sơ cấp và thứ cấp, và được gọi là từ thông chính.

  Theo định luật cảm ứng điện từ sự biến thiên của từ thông làm cảm ứng vào dây quấn sơ cấp sức điện động cảm ứng là:             (2.3)

  Cảm ứng vào dây quấn thứ cấp sức điện động cảm ứng là:      (2.4)

  Trong đó w₁ vá w₂ là số vòng dây của cuộn dây sơ cấp, thứ cấp.

  Khi máy biến áp không tải dây quấn thứ cấp hở mạch, dòng điện i₂ = 0, từ thông chính chỉ do cuộn dây w₁ sinh ra có trị số đúng bằng dòng từ hóa.

  Khi máy biến áp có tải, dây quấn thứ cấp nối với tải Z_t dưới tác dụng của sức điện động cảm ứng e₂, dòng điện thứ cấp i₂ cung cấp điện cho tải, khi đó từ thông chính trong lõi thép do đồng thời cả hai cuộn dây sinh ra.
  
  Điện áp U₁ biến thiên dạng sin nên từ thông chính cũng biến thiên cos. 

             (2.5)

             (2.6)

  Trong đó:   

  E₁=4,44fW₁Ф_m    (2.7)

  E₂=4,44fW₂Ф_m     (2.8)

  E₁, E₂ là trị số sức điện động cảm ứng sơ cấp và thứ cấp

  Sức điện động cảm ứng sơ cấp và thứ cấp có cùng tần số, nhưng trị hiệu dụng khác nhau

  Nếu chia E₁ cho E₂ ta c ó:    (2.9)

  K được gọi là hệ số biến áp.

  Nếu bỏ qua điện trở dây quấn và từ thông tản ngoài không khí có thể coi gần đúng U₁=E₁,U₂=E₂ ta có:

    (2.10)

  Đối với máy tăng áp: U₂>U₁;W₂>W₁

  Đối với máy tăng áp: U₂<U₁;W₂<W₁

  Nếu bỏ qua tổn hao trong máy biến áp, só thể coi gần đúng các quan hệ các đại lượng sơ cấp và thứ cấp như sau: U₂I₂=U₁I₁

  Ví dụ 2.1: Cuộn dây của máy biền áp nối vào mạng điện 10000v, điện áp ở đầu cực  thứ cấp là 100v, tính tỷ số biến áp, số vòng của cuộn thứ cấp, nếu số vòng cuộn sơ cấp là 21000.

   

  Giải.

  

   vòng                   

  2.4. Các chế độ làm việc của máy biến áp

      Sơ đồ thay thế máy biến áp một pha

   

   

   

   

   

   

• X₁; R₁: Điện kháng và điện trở của cuộn sơ cấp.

• X₂^/ ; R₂^/ : Điện kháng và điện trở của cuộn thứ cấp đã qui đổi về sơ cấp.

• X_m; R_m: Điện kháng và điện trở của mạch từ.

• I₁: Dòng điện trong mạch sơ cấp.

• I_m: Dòng điện trong mạch từ.

• I₂^/ : Dòng điện thứ cấp qui đổi.

• U₁: Điện áp đưa vào mạch sơ cấp.

• U₂^/ : Điện áp thứ cấp qui đổi.

  • Qui ước:

    Sơ đồ tương đương cuả MBA là 1 mạng 2 cửa với U₁ ¹ U₂, nên sẽ gặp khó khăn trong vấn đề tính toán các thông số của máy. Để đơn giản hóa vấn đề trên, khi thành lập sơ đồ thay thế, người ta có những qui ước sau:

    • Xem như điện áp ra và điện áp vào của máy là bằng nhau:

      U₂^/  = U₁ và I₂^/  = I₁ , ta có:

      U₁ = U₂. K_BA và I₁ = ;  (2.11)

       

       

       

• Từ đó ta có các hệ quả: Z₂^/  = Z₂. K_BA² . Hay là:

   

   

Với: R₂; X₂ lần lượt là điện trở và điện kháng thật của cuộn thứ cấp.

• Theo lý thuyết mạch điện ta cũng có các biểu thức: