chöông 2: maÙy bieÁn aÙp - hcmut.edu.vntcbinh/file_2012/may_dien/c2_may bien ap_c2...

Baøi giaûng Kyõ Thuaät Ñieän Ñaïi Cöông TCBinh

Chöông 3: Maùy bieán aùp 1

Chöông 2:

MAÙY BIEÁN AÙP I. Giới thiệu về máy biến áp

MBA moät pha: V1ñm, V2ñm = V20, I1ñm, I2ñm, Sñm = V2ñm.I2ñm≈ V1ñm.I1ñm[VA]



MBA bapha: Vñm daây, Iñm daây, Sñm = 3V2ñm.I2ñm≈

3 V1ñm.I1ñm[VA] Maùy bieán aùp laø thieát bò ñieän töø tónh laøm nhieäm vuï truyeàn taûi hoaëc phaân phoái naêng löôïng. Goàm cuoän daây sô caáp noái nguoàn ñieän vaø cuoän daây caûm öùng noái taûi laø cuoän thöù caáp. Kyù hieäu:



II. Chế độ không tải

i1

v1 N1 N2

i2

v2 Zt

ϕ



Ví dụ: Biết Pc =16W, (VI)rms=20VA, V=194Vrms. Tính cos θθθθc, Iϕϕϕϕ,

Im?



ϕ 1I&

1U& N1 N2

0I2 =&

2E& 2U&

1E&

III. Ảnh hưởng của dòng sơ cấp; Máy biến áp lý tưởng



Ví dụ: Cho mạch tương đương của một máy biến áp lý tưởng như hình sau:



Trở kháng cuộn thứ cấp R2+jX2 = 1+j4Ω. N1/N2=5:1. a) Vẽ mạch tương đương quy về sơ cấp. b) Cấp điện áp vào cuộn sơ cấp 120Vrms, nối tắt A-B, tính dòng điện sơ cấp và

dòng điện qua điểm ngắn mạch? c) Tính lại nếu R2+jX2 = 0,02+j0,97Ω.

IV. Kháng trở và sơ đồ mạch tương đương

i1

u1 N1 N2

i2

u2 Zt

φ



Ví dụ: Cho máy biến áp: 2400:240V, 50Hz. R1+jX1 = 0,72+j0,92Ω R2+jX2 = 0,007+j0,009Ω Rc//jXm = 6,32+j43,7Ω Vẽ mạch tương đương

a) Quy về cao áp? b) Quy về hạ áp?

Nếu cấp điện 2400V vào cuộn sơ cấp, tính dòng điện qua nhánh từ hóa?

V. Các yếu tố kỹ thuật trong phân tích máy biến áp



Ví dụ: Cho máy biến áp: 2400:240V, 50Hz. R1+jX1 = 0,72+j0,92Ω R2+jX2 = 0,007+j0,009Ω Rc//jXm = 6,32+j43,7Ω

Nếu cấp điện 2400V vào cuộn sơ cấp: a) Vẽ mạch tương đương quy về sơ cấp? b) Tính điện áp thứ cấp khi hở mạch (trị phức)? c) Vẽ mạch tương đương gần đúng, tính Req và Xeq?

Ví dụ: Cho máy biến áp: 50-kVA, 2400:240V, 50Hz. R1+jX1 = 0,72+j0,92Ω R2+jX2 = 0,007+j0,009Ω Rc//jXm = 6,32+j43,7Ω

Trở kháng đường dây trước biến thế là Zs = 0,30+j1,60Ω. Biết điện áp ở trước đường dây cấp nguồn cho biến thế là 2400V. Biến thế nối tải định mức có hệ số công suất bằng 0,8 (chậm pha). Bỏ qua sụt áp do nhánh từ hóa trên biến thế và đường dây. Tính điện áp trên cuộn dây thứ cấp?

/10

Ví dụ: Tính lại câu trên nếu tải có cosθθθθ=0,8 (nhanh pha)?



Thí nghiệm ngắn mạch:

Để máy biến áp có Un nhỏ thì phải như thế nào? Isc khi đó ra sao? Thí nghiệm hở mạch:



Ví dụ: Cho máy biến áp: 50kVA, 2400:240V, 50Hz. Thí nghiệm ngắn mạch: với điện áp (sơ cấp) 48V, đo được dòng điện ngắn mạch (sơ cấp) là 20,8A và công suất ngắn mạch là 617W. Thí nghiệm không tải: điện áp hở mạch (thứ cấp) là 240V, dòng không tải (sơ cấp) là 5,41A, công suất hở mạch là 186W. a) Tính hiệu suất của biến thế khi làm việc đầy tải, tải có hệ số công suất 0,8 (chậm pha)? b) Tính các thông số của máy biến áp (quy về sơ cấp)? c) Tính Độ ổn định điện áp ở định mức?

100.V

VVregulationvoltage%

load2

load2load_no2 −=

d) Tính hiệu suất của biến thế khi làm việc ở xx% tải, biết tải có hệ số công suất 0,8 (chậm pha) theo 2 cách?

Với xx = (MSSV.499T0279+100)/2 Biến áp 3 pha, ∆/Y, 15kV/380V.



Ví dụ: Cho máy biến áp: 50kVA, 2400:240V, 50Hz. Tính lại độ ổn định điện áp cho ví dụ trên khi đầy tải 50kW với tải có hệ số công suất đơn vị?

Giaûn ñoà naêng löôïng cuûa maùy bieán aùp

Heä soá taûi cuûa maùy bieán aùp

dm1

1

dm2

2

I

I

I

I≈=β

Khi β = 1 - taûi ñònh möùc; β < 1 - non taûi; β > 1 - quaù taûi.

Hieäu suaát cuûa maùy bieán aùp

1

2

P

P=η hoaëc 100

P

P%

1

2=η

S1=P1+ jQ1

Sđt=Pđt+jQđt

S2= P2+jQ2

pCu2 + jq2

pCu1+ jq1

pFe+jqm



0

-U’2

ReqĐ1

a

b

c

θ

U1dm

XeqĐ1

ZeqĐ1

Đ’2 = -Đ1

CuFe2

2

1

2

PPP

P

P

P

++==η

P2 = U2I2 cosθ = β.Sñmcosθ PFe ≈ P0 (TN khoâng taûi vôùi: U1ñm) PCu = I1

2R1 + I22R2 = I1

2(R1+R’2) = I1

2Req = β2Pn. (TN ngaén maïch vôùi: I1ñm)

⇒ n

20dm

dm

P.Pcos.S.

cos.S.

βθβθβ

η++

=

neáu cosθ khoâng ñoåi thì hieäu suaát seõ cöïc ñaïi khi: βη

d

d = 0 ⇔ β2.Pn = P0

Heä soá taûi öùng vôùi hieäu suaát cöïc ñaïi laø: β = P0Pn

Với Po là công suất không tải ở điện áp định mức Và Pn là công suất ngắn mạch ở dòng điện định mức.

Ñoä thay ñoåi ñieän aùp cuûa maùy bieán aùp U1 = Uñm = const U2 = U20 = U2ñm Khi maùy bieán aùp ôû cheá ñoä taûi thì U2 < U2ñm vaø phuï thuoäc vaøo taûi do ñieän aùp rôi treân daây quaán sô caáp vaø thöù caáp. Ñoä bieán thieân ñieän aùp thöù caáp ∆U2 laø: ∆U2 = U2ñm – U2

Ñoä bieán thieân ñieän aùp thöù caáp phaàn traêm: 100.U

UU%U

dm2

2dm22

−=∆

Hay 100.U

UU100.

U.k

U.kU.k%U

dm1

'2dm1

dm2

2dm22

−=

−=∆

( ) ( )θθβ

θθβsin%.Ucos%.U

U

sin.Ucos.U%U eqxeqr

dm1

eqxeqr2 +=

+=∆

Löu yù: sin θ > 0 khi doøng ñieän chaäm pha (taûi caûm) sin θ < 0 khi doøng ñieän sôùm pha (taûi dung)

100U

IX100

U

U%U%U

100U

IR100

U

U%U%U

IZUUU

IXUU

IRUU

dm1

dm1eq

dm1

eqxeqxnx

dm1

dm1eq

dm1

eqreqrnr

dm1eqeqscn

dm1eqeqxnx

dm1eqeqrnr

===

===

===

==

==



⇒ ∆U2% phuï thuoäc vaøo heä soá taûi vaø tính chaát cuûa taûi. Töø ∆U2% ta tính ñöôïc ñieän aùp thöù caáùp U2 theo coâng thöùc:

∆−=∆−=

100

%U1UUUU 2

dm22dm22

Ví dụ: Cho máy biến áp: 50kVA, 2400:240V, 50Hz. Thí nghiệm ngắn mạch: với điện áp (sơ cấp) 48V, đo được dòng điện ngắn mạch (sơ cấp) là 20,8A và công suất ngắn mạch là 617W. Thí nghiệm không tải: điện áp hở mạch (thứ cấp) là 240V, dòng không tải (sơ cấp) là 5,41A, công suất hở mạch là 186W. _ Tính hiệu suất và độ thay đổi điện áp của biến thế khi làm việc: + 100% tải, tải có hệ số công suất 0,8 (nhanh pha)? + 50% tải, tải có hệ số công suất 0,8 (nhanh pha)? _ Tính hiệu suất cực đại, tải và hệ số tải khi đó, biết tải có hệ số công suất 0,8 (nhanh pha)?

VI. Máy biết áp từ ngẫu; Máy biến áp nhiều cuộn dây

VI.1. Máy biết áp từ ngẫu Không cách ly. Từ tản nhỏ, ít tổn hao, dòng không tải nhỏ, rẻ tiền, có thể làm ổn áp. Tỷ lệ xấp xỉ 1:1.

Ví dụ: Cho máy biến áp 2 cuộn dây: 50kVA, 2400:240V, 50Hz.

U2

U20

R

L

C

β



Biến áp trên làm biến áp từ ngẫu, với ab làm cuộn 240V và bc làm cuộn 2400V.

a. Tính điện áp ab và ac? b. Tính công suất biểu kiến định mức [kVA] và dòng điện định mức? c. Tính hiệu suất khi cấp điện cho tải định mức có HSCS=0,8 chậm pha? Biết

R1+jX1 = 0,72+j0,92Ω R2+jX2 = 0,007+j0,009Ω Rc//jXm = 6,32+j43,7Ω

Ví dụ: Cho máy biến áp: 450kVA, 460:7970V với hiệu suất 98,7% khi cấp điện cho tải định mức có HSCS=1. Nếu dùng biến áp trên là biến áp từ ngẫu 7970:8430V. Tính công suất biểu kiến định mức [kVA], dòng điện định mức và hiệu suất khi cấp điện cho tải định mức có HSCS=1?

VI.2. Máy biến áp nhiều cuộn dây



T1

TRANSFORMER

3

6

5

1

18

17

12

15

14

11

7

8

9

13

10

16

VII. Máy biến áp ba pha

Tỷ số máy biến áp 1

2

2

1

2

1

I

I

V

V

N

Nak ≈≈==



Y/Y

Có thể thay thế cuộn ∆ bằng cuộn Y với điều kiện:



I03A = I03m sin3(ωt) I03B = I03m sin3(ωt – 2π/3) = I03m sin3(ωt) I03C = I03m sin3(ωt + 2π/3) = I03m sin3(ωt) Hài bậc 3 của ba pha cùng pha.



a) Máy biến áp ba pha nối Y/Y riêng biệt, không tồn tại dòng bậc ba phía sơ cấp =>từ thông vạt đầu do hài bậc ba=> điện áp thứ cấp bị nhọn đầu => hạn chế sử dụng.

b) Máy biến áp ba pha 3 trụ nối Y/Y, không tồn tại dòng bậc ba phía sơ cấp, nhưng từ thông cũng không có hài bậc ba do không thể khép mạch từ trụ này qua trụ khác, song có thể khép mạch ra không khí hay dầu biến áp, gây tổn hao, nên cũng không dùng cho biến thế công suất lớn.

c) Máy biến áp ba pha nối ∆/Y, tồn tại dòng bậc ba khép kín phía sơ cấp => dòng điện sơ cấp nhọn đầu =>từ thông dạng sin=> điện áp thứ cấp dạng sin chuẩn => thường sử dụng.

d) Máy biến áp ba pha nối Y/∆, không tồn tại dòng bậc ba khép kín phía sơ cấp =>từ thông hài bậc ba Φ3Y=> từ thông bậc ba tạo điện áp cảm ứng thứ cấp e23=> hạn chế sử dụng chậm pha 90o so với Φ3Y. e23 tạo ra i23 khép kín phía thứ cấp chậm pha hơn 90o, sinh ra từ thông bậc ba Φ3∆, ngược pha và triệt tiêu với Φ3Y. Φ3 = Φ3Y + Φ3∆ ≈ 0. => từ thông không bị vạt đầu => điện áp thứ cấp dạng sin chuẩn=> thường sử dụng.



Ví dụ: Cho ba máy biến một pha, 50kVA, 2400:240V, 50Hz, R1+jX1 = 0,72+j0,92Ω R2+jX2 = 0,007+j0,009Ω Rc//jXm = 6,32+j43,7Ω

nối Y/∆ thành biến áp ba pha 150kVA. Trở kháng đường dây trước biến thế là 0,15+j100Ω/pha. Điện áp dây cấp vào sơ cấp biến áp là 4160V. Trở kháng đường dây trước sau biến thế là 0,0005+j0,0020Ω/pha. Tính điện áp dây trên tải khi biến áp làm việc với dòng điện định mức và tải có HSCS=0,8 chậm pha.

Ví dụ: Tính lại ví dụ trên nếu biến thế nối Y/Y.

Ví dụ 2.9: Cho biến thế như ví dụ trên, nối ∆/∆, được cấp điện áp dây 2400V thông qua điện cảm 0,8Ω. Biến thế này kết nối tới cuộn thứ cấp biến thế khác nối Y/∆ 500kVA, 24kV:2400V. Tổng trở tương đương quy về phía 2400V của biến thế này là 0,17+j0,92Ω/pha. Điện áp cấp vào cuộn sơ cấp của biến thế trước là 24kV. Nếu xảy ra ngắn mạch ở phía 240V. Tính dòng điện xác lập của sơ cấp và thứ cấp của 2 biến thế. VIII. Maùy bieán aùp laøm vieäc song song

Ñieàu kieän để máy biến áp làm việc song song: • Cùng tổ đấu dây. • Cùng tỷ số máy biến áp (để tránh dòng cân bằng trong các MBA – SV xem

tài liệu tham khảo). • Cùng điện áp ngắn mạch (để chia tải đều cho 2 MBA).

Có Z = Zeq(1) // Zeq(2). Và ZIU =∆

Mà )1(eq

)1( Z

UI

∆= và

)2(eq)2( Z

UI

∆=

Nên )1(n)1(sc)1(eq)1(đm)1(đm

)1()1( U

U

U

U

ZI

U

I

I ∆=

∆=

∆==β

⇒ %U

%U

U

U

)1(sc

)2(sc

)1(sc

)2(sc

)2(

)1( ==β

β

MBA naøo coù ñieän aùp ngaén maïch nhoû hôn seõ chòu taûi lôùn hôn.

Req(2) Xeq(2)

Z’

1U& '

2U&

Đ(2)

Req(1) Xeq(1)

Đ(1) Đ



IX. Máy biến điện áp và máy biến dòng

Máy biến áp (TU):



A x

U1

U2

A X

(Bieán aùp laøm vieäc ôû cheá ñoä hôû maïch)

Toång trôû cuûa cuoän daây sô caáp Z1 cuûa maùy bieán aùp caøng nhoû caøng chính xaùc. Giaûm goùc leäch pha baèng caùch giaûm R1. Máy biến dòng (CT, TI):

I2

I1

(Bieán aùp laøm vieäc ôû cheá ñoä ngaén maïch)

Toång trôû maïch töø Zm cuûa bieán aùp caøng lôùn (goùc leäch pha caøng nhoû) caøng chính xaùc. Toång trôû cuûa caùc cuoän daây Zn cuûa maùy bieán aùp caøng nhoû caøng chính xaùc. Giaûm goùc leäch pha baèng caùch taêng Zm.

Ví dụ 2.10: Biến áp 2400:120V, 60Hz, có thông số quy về 2400V là:

R1+jX1 = 128+j143Ω R’2+jX’2 = 141+j164Ω Rc//jXm = j163kΩ

a) Cấp vào 2400V, ngõ ra hở mạch, tính biên độ và góc lệch pha của điện áp thứ cấp.

b) Để sai số biên độ điện áp nhỏ hơn 0,5%. Tính Zb=Rb nhỏ nhất?

Φ&

Đ0

δv

2U&−

1E&−

1U&

22 EU && =

Đ2

-Đ’2 Đ1

δi



c) Để sai số góc pha điện áp nhỏ hơn 1 độ. Tính Zb=Rb nhỏ nhất?

Bài tập 2.8: Tính lại câu trên nếu Zb=jXb.

Ví dụ 2.11: Biến dòng 800:5A, 60Hz, có thông số quy về 800A là: R1+jX1 = 10,3+j44,8µΩ R’2+jX’2 = 9,6+j54,3µΩ Rc//jXm = j17,7mΩ

Cấp vào 800A, tải Rb=2,5Ω. Tính biên độ và góc pha của dòng điện hạ thế?

Bài tập 2.9: Thông số như câu trên: tính giá trị Zb=jXb lớn nhất sao cho khi ngõ vào 800A và dòng thứ cấp lớn hơn 4,95A (sai số 1%).

Bài tập 1: Máy biến áp 1 pha có công suất định mức Sđm = 5 kVA, tần số định mức fđm = 50 Hz, điện áp định mức U1đm/U2đm = 220/110 V. Có các thông số R1=0,10 Ω, X1=0,50 Ω, '

2R =0,12 Ω, '2X =0,40 Ω. Khi máy biến áp được nối

với tải định mức, cosϕ2 = 0,8 (tải cảm). a. Tính độ thay đổi điện áp ∆U2% b. Tính điện áp ngõ ra U2

Bài tập 2: Máy biến áp 1 pha có công suất định mức Sđm = 5 kVA, tần số định mức fđm = 50 Hz, điện áp định mức U1đm/U2đm = 220/110 V. Mạch tương đương hình Γ (như hình vẽ) có các thông số Rc=600Ω, Xm=50Ω, R1=0,10 Ω, X1=0,50 Ω, '

2R =0,12 Ω, '2X =0,40 Ω. Khi máy biến áp được nối với tải định mức, cosϕ2

= 0,8 (tải cảm).

a. Tính độ thay đổi điện áp ∆U2% b. Tính điện áp ngõ ra U2 c. Tính dòng điện I1 khi máy biến áp đạt hiệu suất cực đại ηmax, tính ηmax. d. Tính công suất biểu kiến của tải khi máy biến áp đạt hiệu suất cực đại.

R1 R’2 X’

2

X1

Z’L

'2U&

Xm

Rc

1U&



Bài tập 3: Máy biến áp 3 pha Y/Y-12, 180kVA, U1/U2=6000/400V, Io%=6, Po=1000W, Un%=5,5, Pn=4000W. a. Vẽ mạch tương đương của MBA? Tính điện trở của một cuộn dây thứ

cấp? b. Tính hiệu suất ở định mức (với tải có HSCS=1)? c. Khi MBA làm việc ở 70% tải có HSCS=0,8 nhanh pha. Tính hiệu suất, độ

biến thiên và độ thay đổi điện áp? d. Tính hiệu suất cực đại của MBA khi cấp điện cho tải có HSCS=0,8 chậm

pha? Bài tập 4: Cho MBA 30kVA, 6000/230V, điện trở R1=10Ω và R2=0,016Ω. Điện kháng MBA nhìn từ phía sơ cấp là 34Ω.

a. Điện áp ngắn mạch? b. Tính dòng điện Isc khi biến áp bị ngắn mạch ngõ ra?

Khi MBA mang tải có HSCS=0,8 chậm pha. Tính c. Hiệu suất cực đại? d. Độ thay đổi điện áp? e. Điện áp trên tải?

Bài tập 5: MBA 12KVA, 220/440V, 50Hz. TN ko tải: 220V, 2A, 165W. TN ngắn mạch thứ cấp: 12V, 15A, 60W.

a. Vẽ mạch tương đương quy về sơ cấp. b. Dùng mạch tương đương (chính xác) tính điện áp trên tải có hệ số tải

70% và HSCS=0,8 chậm pha.Tính hiệu suất MBA khi đó? Bài tập 6: MBA 125KVA, 2000/400V, 50Hz. TN ko tải: 2000V, 1A, 50W. TN ngắn mạch thứ cấp: 13V, 200A, 750W. MBA cấp điện cho tải có HSCS=0,8 chậm pha.

a. Tính hiệu suất định mức của MBA? b. Tính hiệu suất cực đại của MBA.

Biết hệ số tải 70%:

c. Tính điện áp trên tải? d. Tính hiệu suất của MBA?



Bài tập 7: Cho MBA 1 pha, 8,66kV/220V, 50Hz,

a) Tính các thông số của máy biến áp (quy về sơ cấp)? b) Tính độ ổn định điện áp ở định mức?

100.V

VVregulationvoltage%

load2

load2load_no2 −=

c) MBA cấp điện cho tải có hệ số công suất bằng 1. Tính hiệu suất ở nửa tải và đầy tải; và tính hiệu suất cực đại?

MBA cấp điện cho tải có HSCS=0,8 chậm pha và có hệ số tải 70%: d) Tính hiệu suất của biến áp? e) Tính độ thay đổi điện áp và điện áp trên tải?

Bài tập 8: Cho MBA 3 pha, ∆/Y, 15kV/380V, 50Hz. Tính như câu trên!

chöông 2: maÙy bieÁn aÙp - hcmut.edu.vntcbinh/file_2012/may_dien/c2_may bien ap_c2...

Documents