Các phương pháp tính toán các loại tổn hao và điện áp trở kháng khác nhau của máy biến áp.

Công thức tính tổn hao máy biến áp

(1) Tổn thất công suất tác dụng: ΔP=Po+KT β2 Pk

(2) Tổn thất công suất phản kháng: ΔQ=Qo+KT β2 Qk

(3) Tổn thất công suất tổng hợp: ΔPz=ΔP+KQΔQ

Qo≈Io%Sn, Qk≈Uk%Sn

Trong đó: Qo - tổn thất công suất phản kháng không tải (kvar)

Po—tổn thất không tải (kW)

Pk—Công suất tiêu thụ định mức (kW)

Sn - công suất định mức của máy biến áp (kVA)

Uk%——phần trăm điện áp ngắn mạch

β — hệ số tải, là tỷ lệ giữa dòng điện tải và dòng điện định mức.

KT—hệ số tổn thất do dao động tải

Qk—Công suất rò rỉ từ thông định mức (kvar)

KQ — công suất phản kháng tương đương kinh tế (kW/kvar)

Điều kiện lựa chọn của từng tham số trong phép tính của công thức trên:

(1) Lấy KT=1,05;

(2) Khi lấy tải tối thiểu của hệ thống cho máy biến áp hạ áp 6kV~10kV của lưới điện đô thị và lưới điện doanh nghiệp công nghiệp, công suất phản kháng tương đương KQ=0,1kW/kvar;

(3) Hệ số tải trung bình của máy biến áp là β=20% đối với máy biến áp nông nghiệp; đối với các doanh nghiệp công nghiệp, ba ca làm việc được thực hiện và β=75% là mong muốn;

(4) Giờ hoạt động của máy biến áp T = 8760h, giờ mất tải tối đa: t = 5500h;

(5) Tổn thất không tải Po của máy biến áp, tổn thất tải định mức Pk, Io%, Uk%, xem thông tin sản phẩm của nhà máy.

Đặc điểm tổn thất của máy biến áp

Po - tổn hao không tải, chủ yếu là tổn hao sắt, bao gồm tổn hao từ trễ và tổn hao dòng điện xoáy;

Tổn thất trễ từ tỷ lệ thuận với tần số; nó tỷ lệ thuận với lũy thừa của hệ số trễ từ của mật độ từ thông cực đại.

Tổn thất dòng điện xoáy tỷ lệ thuận với tích của tần số, mật độ từ thông cực đại và độ dày của tấm thép silic.

Pc——Tổn thất tải, chủ yếu là tổn thất trên điện trở khi dòng điện tải chạy qua cuộn dây, thường được gọi là tổn thất đồng. Giá trị của nó thay đổi theo dòng điện tải và tỷ lệ thuận với bình phương của dòng điện tải; (và được biểu thị bằng giá trị quy đổi của nhiệt độ cuộn dây tiêu chuẩn).

Tổn thất tải cũng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ của máy biến áp. Đồng thời, từ thông rò rỉ do dòng điện tải gây ra sẽ tạo ra tổn thất dòng điện xoáy trong cuộn dây và tổn thất lạc trong phần kim loại bên ngoài cuộn dây.

Tổng tổn hao của máy biến áp ΔP = Po + Pc

Tỷ số tổn hao của máy biến áp = Pc /Po

Hiệu suất của máy biến áp = Pz/(Pz+ΔP), được biểu thị bằng phần trăm; trong đó Pz là công suất đầu ra của phía thứ cấp của máy biến áp.

Tính toán tổn thất điện năng biến đổi

Tổn thất công suất của máy biến áp bao gồm hai phần: tổn thất sắt và tổn thất đồng. Tổn thất sắt liên quan đến thời gian hoạt động, còn tổn thất đồng liên quan đến tải. Do đó, tổn thất công suất cần được tính toán riêng biệt.

1. Tính toán công suất tổn hao sắt: Công suất tổn hao sắt của các loại máy phát điện và công suất khác nhau được tính theo công thức: công suất tổn hao sắt (kWh) = công suất không tải (kW) × thời gian cung cấp điện (giờ)

Có thể kiểm tra tổn hao không tải (tổn hao sắt) của máy biến áp phân phối từ bảng đính kèm, và thời gian cung cấp điện là thời gian hoạt động thực tế của máy biến áp, được xác định theo các nguyên tắc sau:

(1) Đối với người dùng có nguồn điện liên tục, cả tháng được tính là 720 giờ.

(2) Do lý do lưới điện, nguồn cung cấp điện không liên tục hoặc nguồn cung cấp điện hạn chế, việc tính toán phải dựa trên số giờ cung cấp điện thực tế của trạm biến áp cho người dùng và không được coi là khó tính toán, và vẫn phải được tính toán trên cơ sở hoạt động cả tháng. Thời gian phải được trừ đi khi tính toán tổn thất sắt.

(3) Người dùng được trang bị đồng hồ tích hợp ở phía điện áp thấp của máy biến áp được tính toán theo thời gian cung cấp điện tích lũy của đồng hồ tích hợp.

2. Tính toán điện năng hao phí do đường đồng: Khi tỷ lệ tải điện ở mức 40% trở xuống, phí hao phí được tính là 2% tổng lượng điện tiêu thụ hàng tháng (dựa trên số liệu đo của công tơ điện). Công thức tính toán như sau: Điện năng hao phí do đường đồng (kWh) = Lượng điện tiêu thụ hàng tháng (kWh) × 2%

Do tổn hao đồng liên quan đến dòng điện tải (điện năng), khi tỷ lệ tải trung bình hàng tháng của máy biến áp phân phối vượt quá 40%, công suất tổn hao đồng phải được tính ở mức 3% công suất tiêu thụ hàng tháng. Công suất tiêu thụ hàng tháng khi tỷ lệ tải là 40% có thể được kiểm tra từ bảng đính kèm. Công thức tính tỷ lệ tải là: tỷ lệ tải = công suất đồng/S.T.Cos

Trong công thức: S - công suất định mức của máy biến áp phân phối (kVA); T - thời gian trong tháng, lấy 720 giờ; COS - hệ số công suất, lấy 0,80.

Tổn thất biến đổi của máy biến áp điện có thể được chia thành tổn thất đồng và tổn thất sắt. Tổn thất đồng thường là 0,5%. Tổn thất sắt thường là 5~7%. Tổn thất biến đổi của máy biến áp khô nhỏ hơn so với máy biến áp ngâm dầu. Tổng tổn thất: 0,5 + 6 = 6,5. Phương pháp tính toán: 1000KVA × 6,5% = 65KVA

65KVA × 24 giờ × 365 ngày = 569400KWT (độ)

Trên bảng thông số kỹ thuật của máy biến áp có ghi các thông tin cụ thể.

tổn thất không tải của máy biến áp

Tổn thất không tải là công suất mà máy biến áp tiêu thụ khi phía thứ cấp của máy biến áp hở mạch và điện áp hình sin phía sơ cấp bằng điện áp định mức. Thông thường, người ta chỉ chú ý đến tần số định mức và điện áp định mức, nhưng đôi khi điện áp lấy ra và dạng sóng điện áp, độ chính xác của hệ thống đo lường, dụng cụ đo và thiết bị thử nghiệm lại bị bỏ qua. Giá trị tính toán, giá trị tiêu chuẩn, giá trị đo được và giá trị đảm bảo của tổn thất lại bị nhầm lẫn.

Nếu điện áp được cấp vào phía sơ cấp và có nấc điều chỉnh, nếu máy biến áp là loại điều chỉnh điện áp bằng từ thông không đổi, thì điện áp cấp vào phải là điện áp của nấc điều chỉnh tương ứng với nguồn cấp điện. Trong trường hợp điều chỉnh điện áp bằng từ thông thay đổi, vì tổn hao không tải khác nhau ở mỗi nấc điều chỉnh, nên phải chọn nấc điều chỉnh chính xác theo yêu cầu kỹ thuật và phải cấp điện áp định mức đã chỉ định, bởi vì trong quá trình điều chỉnh điện áp bằng từ thông thay đổi, phía sơ cấp luôn cấp một điện áp cho mỗi nấc điều chỉnh.

Thông thường, yêu cầu đặt ra là dạng sóng của điện áp đặt vào phải xấp xỉ hình sin. Do đó, có hai cách: một là sử dụng máy phân tích sóng hài để đo các thành phần sóng hài có trong dạng sóng điện áp, và cách khác là sử dụng phương pháp đơn giản để đo điện áp bằng vôn kế trung bình, nhưng thang đo là vôn kế giá trị hiệu dụng, và so sánh với giá trị đo được của vôn kế giá trị hiệu dụng. Khi sự khác biệt giữa hai giá trị lớn hơn 3%, điều đó có nghĩa là dạng sóng điện áp không phải là sóng sin, và tổn hao không tải đo được sẽ không hợp lệ theo yêu cầu của tiêu chuẩn mới.

Đối với hệ thống đo lường, cần phải lựa chọn đường dây thử nghiệm phù hợp, lựa chọn thiết bị và dụng cụ thử nghiệm thích hợp. Do sự phát triển của vật liệu từ thẩm, công suất tổn hao trên mỗi kilogram đã giảm đáng kể. Các nhà sản xuất sử dụng các tấm thép silic định hướng hạt có độ từ thẩm cao chất lượng cao hoặc thậm chí là hợp kim vô định hình làm vật liệu từ thẩm. Không có lỗ hổng trong đường nối và độ dốc hoàn toàn, và công nghệ không xếp chồng gọng sắt được áp dụng trong quá trình sản xuất. Các nhà sản xuất đang phát triển máy biến áp tổn hao thấp, đặc biệt là tổn hao không tải đã giảm đáng kể. Do đó, các yêu cầu mới được đặt ra đối với hệ thống đo lường. Công suất vẫn giữ nguyên, và việc giảm tổn hao không tải có nghĩa là hệ số công suất của máy biến áp giảm khi không tải. Hệ số công suất nhỏ đòi hỏi nhà sản xuất phải thay đổi và chuyển đổi hệ thống đo lường. Nên sử dụng phương pháp ba watt kế để đo, chọn máy biến áp loại 0,05-0,1 và chọn watt kế có hệ số công suất thấp. Chỉ bằng cách này mới có thể đảm bảo độ chính xác của phép đo. Khi hệ số công suất là 0,01, độ lệch pha của máy biến áp sẽ gây ra sai số công suất 2,9% khi độ lệch pha là 1 phút. Do đó, cần phải lựa chọn chính xác tỉ số dòng điện và tỉ số điện áp của máy biến dòng và máy biến áp trong quá trình đo thực tế. Khi dòng điện thực tế nhỏ hơn nhiều so với dòng điện nối với máy biến dòng, độ lệch pha và sai số dòng điện của máy biến dòng càng lớn, điều này sẽ dẫn đến sai số lớn hơn trong kết quả đo thực tế. Vì vậy, dòng điện mà máy biến dòng tiêu thụ nên gần với giá trị định mức của máy biến dòng.

Ngoài ra, trong thiết kế, theo các quy trình quy định, tổn thất không tải được tính toán dựa trên tổn thất đơn vị và hệ số xử lý của tấm thép silic được chọn thường được gọi là giá trị tính toán. Giá trị này phải được so sánh với giá trị tiêu chuẩn được quy định trong tiêu chuẩn hoặc với giá trị tiêu chuẩn hoặc giá trị đảm bảo được quy định trong hợp đồng. Giá trị tính toán phải nhỏ hơn giá trị tiêu chuẩn hoặc giá trị đảm bảo, và không có chỗ cho sai số tính toán, đặc biệt đối với máy biến áp sản xuất hàng loạt. Thêm vào đó, giá trị tính toán chỉ có giá trị đối với người thiết kế hoặc bộ phận thiết kế, và không có hiệu lực pháp lý. Giá trị tính toán không thể được sử dụng để đánh giá mức độ tổn thất của sản phẩm. Giá trị tiêu chuẩn được quy định trong tiêu chuẩn hoặc giá trị đảm bảo được quy định trong hợp đồng có hiệu lực pháp lý. Sản phẩm vượt quá giá trị tiêu chuẩn cộng với độ lệch cho phép, hoặc giá trị đảm bảo (giá trị đảm bảo bằng giá trị tiêu chuẩn cộng với độ lệch cho phép) là sản phẩm không đạt tiêu chuẩn. Nếu có hệ thống đánh giá tổn thất, điều này thường sẽ được chỉ ra trong hợp đồng, đặc biệt đối với sản phẩm xuất khẩu, nếu giá trị tổn thất vượt quá giá trị quy định, sẽ bị phạt, và mức phạt đối với tổn thất không tải là cao nhất. Để biết giá trị đánh giá thiệt hại của các nước châu Âu, vui lòng tham khảo số 11 của tạp chí "Transformer" năm 1994. Mức phạt lên tới hàng nghìn đô la mỗi kilowatt. Đây là hiệu lực pháp lý và liên quan trực tiếp đến lợi ích kinh tế.

Khái niệm về giá trị đo cũng phải được hiểu đúng, dù là số đọc của đồng hồ đo tương hỗ (hoặc số đọc của bộ chuyển đổi nguồn) hay giá trị đo phải được chuyển đổi về điều kiện định mức, và phải có độ chính xác đủ. Đối với giá trị đo tổn hao không tải, chủ yếu là dạng sóng điện áp của nguồn điện phải là sóng sin, và sự khác biệt giữa số đọc trung bình của vôn kế và giá trị điện áp hiệu dụng nhỏ hơn 3%.

Tính toán tổn hao không tải, tổn hao có tải và điện áp trở kháng.

Tổn thất không tải: Khi cuộn dây thứ cấp của máy biến áp hở mạch và cuộn dây sơ cấp được cấp điện áp định mức dạng sóng hình sin với tần số định mức, công suất tác dụng tiêu thụ được gọi là tổn thất không tải. Công thức tính như sau: tổn thất không tải = hệ số quá trình tổn thất không tải × tổn thất đơn vị × lõi

Tổn thất tải: Khi cuộn dây thứ cấp của máy biến áp bị ngắn mạch (trạng thái ổn định), công suất tác dụng tiêu thụ khi cuộn dây sơ cấp chạy qua dòng điện định mức được gọi là tổn thất tải.

Thuật toán như sau: tổn hao tải = tổn hao điện trở của cặp cuộn dây lớn nhất + tổn hao bổ sung

Tổn thất bổ sung = tổn thất dòng điện xoáy cuộn dây + tổn thất tuần hoàn của dây dẫn song song + tổn thất tản nhiệt + tổn thất chì

Điện áp trở kháng: Khi cuộn dây thứ cấp của máy biến áp bị ngắn mạch (trạng thái ổn định), điện áp do dòng điện định mức chạy qua cuộn dây sơ cấp tạo ra được gọi là điện áp trở kháng Uz. Uz thường được biểu thị bằng phần trăm của điện áp định mức, tức là uz = (Uz/U1n) * 100%.

Điện thế quay: u=4.44*f*B*At,V

Trong đó: B—mật độ từ tính trong lõi sắt, TAt—diện tích mặt cắt ngang hiệu dụng của lõi sắt, tính bằng mét vuông.

Nó có thể được chuyển đổi thành công thức thường dùng để tính toán thiết kế máy biến áp:

Khi f=50Hz: u=B*At/450*10^5, V

Khi f=60Hz: u=B*At/375*10^5, V

Nếu bạn đã biết điện áp pha và số vòng dây, thì điện thế vòng dây được tính bằng cách chia điện áp pha cho số vòng dây.

Tổn thất không tải bao gồm tổn thất do hiện tượng trễ từ và dòng điện xoáy trong lõi sắt, cũng như tổn thất do dòng điện không tải trên điện trở cuộn sơ cấp. Tổn thất do dòng điện trễ từ được gọi là tổn thất sắt, còn tổn thất do dòng điện xoáy được gọi là tổn thất đồng. Vì dòng điện không tải rất nhỏ, nên tổn thất do dòng điện xoáy có thể bỏ qua, do đó tổn thất không tải về cơ bản là tổn thất sắt.

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tổn hao không tải và tổn hao sắt của máy biến áp, được thể hiện bằng các công thức toán học. Trong công thức, Pn và Pw—biểu thị tổn hao do từ trễ và tổn hao do dòng điện xoáy; kn, kw—là các hằng số.

f - tần số (Hertz) của điện áp đặt vào máy biến áp

Bm—Mật độ từ thông cực đại Wei/m2 trong lõi sắt

n——Hằng số Steinmetz. Đối với các tấm thép silic thông thường, khi Bm=(1,0～1,6) Wei/m2, n≈2. Đối với các tấm thép silic định hướng hiện đang được sử dụng, lấy 2,5～3,5.

Theo phân tích lý thuyết của máy biến áp, giả sử điện thế cảm ứng sơ cấp là E1 (volt), thì: E1=KfBm (2)

K là hằng số tỷ lệ, được xác định bởi số vòng dây sơ cấp và diện tích mặt cắt ngang của lõi sắt, do đó tổn thất sắt là:

Vì điện áp rơi do trở kháng rò rỉ sơ cấp rất nhỏ, nếu bỏ qua thì,

E1=U1(4)

Có thể thấy rằng tổn hao sắt không tải của máy biến áp có mối quan hệ mật thiết với điện áp đặt vào. Nếu điện áp V có một giá trị nhất định, tổn hao sắt không tải của máy biến áp sẽ không thay đổi (vì f không thay đổi), và vì U1=U1N trong điều kiện hoạt động bình thường, nên tổn hao không tải còn được gọi là tổn hao không đổi. Nếu điện áp dao động, tổn hao không tải sẽ thay đổi. Tổn hao sắt của máy biến áp liên quan đến vật liệu lõi và quy trình sản xuất, và không liên quan gì đến tải.