Bài báo này trình bày về mô hình hóa và phân tích đặc tính của máy biến áp.

5.1 Nguyên lý hoạt động cơ bản và cấu trúc của máy biến áp

5.1.1 Nguyên lý hoạt động cơ bản của máy biến áp

Máy biến áp có tác dụng chặn dòng điện một chiều.

Nếu từ thông chính thay đổi theo định luật sin, tức là φ(t)=φ.sinφ, thì mỗi đại lượng vật lý

Giá trị hữu hiệu của đại lượng thỏa mãn mối quan hệ sau:

Bỏ qua điện trở cuộn dây và tổn hao lõi, công suất sơ cấp và thứ cấp được bảo toàn như sau:

do đó có

Tỷ số vòng dây của máy biến áp.

nói rằng đó là dung lượng biểu kiến.

Có thể thấy rằng máy biến áp thực hiện chuyển đổi dòng điện đồng thời thực hiện chuyển đổi điện áp. Ngoài ra,

Máy biến áp cũng có thể thực hiện chức năng biến đổi trở kháng.

Trở kháng tải ở phía thứ cấp là:

Nếu nhìn vào chỉ số Z từ phía chính, kích thước của nó là:

Cấu trúc của một máy biến áp một pha

1- Cột lõi 2- Gọng sắt 3- Cuộn dây cao áp 4- Cuộn dây hạ áp

Cấu trúc của máy biến áp ba pha

Các điểm đấu nối cho cuộn dây cao áp của máy biến áp ba pha

1-Cột lõi sắt 2-Gáy sắt

3- cuộn dây điện áp thấp 4- cuộn dây điện áp cao

1- Bảng tên 2- Nhiệt kế 3- Bộ hút ẩm 4- Đồng hồ đo mức dầu 5- Bình giãn nở dầu 6- Đường dẫn khí an toàn 7- Rơle khí 8- Ống dẫn dầu cao áp

9. Ống dẫn dầu áp suất thấp 10. Công tắc vòi 11. Lõi bình nhiên liệu 12. Van xả dầu 13. Cuộn dây 14. Tấm tiếp đất 15. Xe đẩy

5.2 Thông số máy biến áp

➢ Công suất định mức hoặc công suất biểu kiến ​​Sn;

➢Điện áp định mức Un

Dòng điện định mức IV;

➢Tần số định mức fn;

➢Hiệu suất định mức ηn ;

Cả điện áp định mức và dòng điện định mức đều đề cập đến giá trị đường dây (tức là điện áp đường dây hoặc dòng điện đường dây).

Mối quan hệ sau đây tồn tại giữa các dữ liệu được đánh giá:

Trong công thức, m biểu thị số pha của máy biến áp;

U1Nφ và I1Nφ lần lượt biểu thị giá trị pha của điện áp định mức và dòng điện định mức.

Đối với máy biến áp một pha:

Đối với máy biến áp ba pha:

5.3 Phân tích hoạt động không tải của máy biến áp

sự định nghĩa:

Chế độ không tải của máy biến áp đề cập đến trạng thái hoạt động trong đó cuộn dây sơ cấp được cấp điện áp xoay chiều và cuộn dây thứ cấp không được cấp điện, tức là phía thứ cấp không có dòng điện (nghĩa là dòng điện bằng không).

5.3.1 Mối quan hệ điện từ của máy biến áp trong quá trình hoạt động không tải

Được viết dưới dạng pha như sau:

Tóm lại:

Độ lớn của điện thế cảm ứng trong cuộn dây tỷ lệ thuận với tần số, số vòng dây và biên độ của từ thông; về pha, điện thế cảm ứng trong cuộn dây máy biến áp chậm pha so với từ thông chính.

Khi điện áp định mức được đặt vào cuộn dây sơ cấp, điện áp hở mạch của cuộn dây thứ cấp được xác định là điện áp định mức của phía thứ cấp, tức là theo cách này, tỉ số biến đổi của máy biến áp có thể được tính như sau:

5.3.2 Các thông số điện tương đương của mạch từ

Ý tưởng cơ bản:

Bài toán mạch từ liên quan đến máy biến áp được chuyển đổi thành bài toán mạch điện, sau đó máy biến áp được tính toán theo lý thuyết mạch điện thống nhất.

Đối với từ thông rò rỉ:

Khi đó, X1δ hoặc L1δ có thể được sử dụng để phản ánh mạch từ rò rỉ. (Tại sao lại là hằng số?)

Đối với dòng chảy chính:

Đầu tiên, khái niệm dòng điện hình sin tương đương được giới thiệu, và dòng điện không tải không hình sin được thay thế bằng dòng điện hình sin tương đương.

(a) Giản đồ vectơ (b) Mạch tương đương (c) Mạch tương đương

Đối với một máy biến áp lý tưởng:

5.3.3 Phương trình cân bằng điện áp không tải, giản đồ vectơ và giản đồ mạch tương đương của máy biến áp

Tóm lại:

Hệ số công suất phía sơ cấp thấp hơn khi máy biến áp hoạt động không tải. Do đó,

Máy biến áp thường không cho phép hoạt động không tải hoặc tải nhẹ.

5.4 Phân tích hoạt động tải của máy biến áp

Sau khi máy biến áp được tải, dòng điện ở phía thứ cấp không còn bằng không nữa, dẫn đến những thay đổi trong quá trình điện từ bên trong lõi.

5.4.1 Phương trình cân bằng điện thế từ khi máy biến áp hoạt động.

5.4.1 Phương trình cân bằng điện thế từ khi máy biến áp hoạt động.

Không tải/có tải

Công thức trên có thể được hiểu như sau: Khi dòng điện tải tăng, điện thế (hoặc dòng điện) từ tương ứng ở phía sơ cấp phải tăng lên để bù lại điện thế từ phía thứ cấp, nhằm duy trì từ thông hoặc điện thế từ không đổi khi không tải. Vì vậy, ta có:

Tóm lại:

Sau khi máy biến áp được tải, dòng điện phía sơ cấp tăng lên. Tải (dòng điện) yêu cầu ở phía thứ cấp càng lớn thì dòng điện cung cấp ở phía sơ cấp càng lớn. Tức là, máy biến áp có thể được coi là sự cân bằng giữa cung và cầu.

5.4.2 Các thông số điện tương đương của mạch từ rò rỉ thứ cấp sau khi máy biến áp được nạp tải

X₂δ hoặc Ḯ₂ có thể được sử dụng để phản ánh tình trạng của mạch từ rò rỉ phía thứ cấp.

5.4.3 Mối quan hệ điện từ khi máy biến áp hoạt động có tải

5.5 Các phương trình cơ bản, mạch điện tương đương và giản đồ vectơ của máy biến áp

5.5.1 Phương trình cơ bản của máy biến áp tương đương với các phân tích và thông số khác nhau trong phần trước, và pha

Các phương trình cơ bản của máy biến áp ở dạng định lượng

5.5.2 Mạch tương đương cho hoạt động tải máy biến áp

Dựa trên các phương trình cơ bản đã nêu ở trên, có thể thực hiện nhiều phân tích và tính toán khác nhau về máy biến áp, nhưng các phép tính này tương đối phức tạp. Trong kỹ thuật, người ta thường chuyển đổi nó thành mạch tương đương để thay thế máy biến áp thực tế.

Mạch tương đương ở phía sơ cấp và thứ cấp độc lập về điện với nhau. Để đơn giản hóa phép tính, số vòng dây ở phía thứ cấp thường được tăng từ N lên 1, sao cho mỗi đại lượng vật lý ở phía thứ cấp sẽ thay đổi tương ứng. Quá trình này cũng được gọi là chuyển đổi.

Nguyên tắc chuyển đổi:

Trước và sau quá trình chuyển đổi, mối quan hệ điện từ cần được giữ nguyên, cụ thể là:

(1) Điện thế từ trước và sau khi chuyển đổi phải không thay đổi;

(2) Công suất điện và tổn thất trước và sau khi chuyển đổi phải không thay đổi.

(1) Chuyển đổi điện áp (chuyển đổi E ₁ thành E₂)

(2) Chuyển đổi dòng điện (để đảm bảo điện thế từ trường không thay đổi)

(3) Chuyển đổi trở kháng (để đảm bảo mối quan hệ truyền năng lượng vẫn không thay đổi, bao gồm công suất tác dụng và công suất phản kháng)

Công suất hoạt động

Công suất phản kháng

5.5.3 Giản đồ vectơ khi máy biến áp hoạt động có tải Giản đồ vectơ không chỉ thể hiện mối quan hệ điện từ của máy biến áp mà còn cho phép trực quan thấy được độ lớn và mối quan hệ pha của từng đại lượng vật lý trong máy biến áp.

Giả sử các thông số mạch đã biết, và kích thước cũng như pha của tải đã được cho trước, giản đồ vectơ có thể được vẽ theo một số bước.

Tóm lại:

Sau khi máy biến áp được tải, hệ số công suất phía sơ cấp giảm xuống, và hệ số công suất được cải thiện.

5.6 Kiểm tra và đo lường các thông số mạch tương đương của máy biến áp Mạch tương đương có thể được sử dụng để phân tích hiệu suất hoạt động của máy biến áp. Trước tiên, cần phải biết các thông số trong mạch tương đương.

Kiểm tra không tải -> tỷ số biến đổi k, trở kháng kích thích

Kiểm tra ngắn mạch → trở kháng ngắn mạch

5.7 Tính toán đặc tính hoạt động ổn định của máy biến áp

5.7.1 Đặc tính bên ngoài và tốc độ thay đổi điện áp của máy biến áp

Định nghĩa các đặc tính bên ngoài (phản ánh chất lượng nguồn cung cấp điện của máy biến áp cho tải)

Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa điện áp đầu cực phía thứ cấp của máy biến áp và dòng điện tải phía thứ cấp trong điều kiện điện áp nguồn định mức và hệ số công suất tải nhất định.

Đặc tính bên ngoài điển hình của máy biến áp dưới các tải khác nhau

Định nghĩa về tốc độ thay đổi điện áp:

Trong điều kiện điện áp nguồn định mức và hệ số công suất tải nhất định, phần trăm thay đổi điện áp đầu cực phía thứ cấp từ không tải đến tải định mức, cụ thể là:

∆u

Các yếu tố nội tại: xᶄ, rᶄ → các thông số cấu trúc của máy biến áp

Các yếu tố bên ngoài: cosφ2, β-→đặc trưng tải, kích thước tải

Thảo luận: Máy biến áp thường là rᶄ: nhỏ hơn nhiều so với xᶄ, vui lòng tham khảo Ví dụ (5-1)

◆Đối với tải thuần trở, cosφ2=1, sinφ2=0, nên ∆u nhỏ;

◆Đối với tải cảm kháng,

cosφ2>0, sinφ2>0, nên ∆u>0,

Tức là, khi dòng tải tăng, điện áp phía thứ cấp giảm mạnh;

◆Đối với tải điện dung, cosφ2>0, sinφ2<0, nếu |rᶄ cosφ2|<| xᶄ sinφ2|, thì ∆u<0,

Điều này cho thấy rằng khi dòng tải I2 tăng lên, điện áp ở phía thứ cấp có thể được tăng lên.

có thể tăng lên.

Việc đặt tải điện dung lên điện áp đầu cực thứ cấp của máy biến áp:

(1) Bù công suất phản kháng, cải thiện hệ số công suất và giảm tổn thất đường dây

(2) Tăng điện áp lưới điện của nhà máy để giải quyết vấn đề tải nặng của nhà máy và sụt áp lưới điện

5.7.2 Đặc tính hiệu suất của máy biến áp.

Hiệu suất của máy biến áp được định nghĩa như sau:

Các yếu tố ảnh hưởng đến η

Các yếu tố bên trong: các thông số cấu trúc của máy biến áp như thông số kích thích và thông số ngắn mạch.

Các yếu tố bên ngoài: cosφ2, bản chất tải β, kích thước tải

Đặc tính hiệu quả được định nghĩa như sau:

Trong điều kiện điện áp định mức và hệ số công suất tải nhất định,

η= f(I2)

(hoặc η = f(β) ).

Hiệu suất định mức của máy biến áp thường cao hơn.

Hầu hết chúng có hiệu suất trên 95%, và các máy biến áp lớn có thể đạt đến 99%. Động cơ điện xoay chiều có bộ phận quay nên hiệu suất thấp hơn.

Tính hiệu suất tối đa của máy biến áp:

5.8 Các vấn đề đặc biệt của máy biến áp ba pha

Các chương trước đã lấy máy biến áp một pha làm ví dụ để nghiên cứu các phương trình cơ bản, mạch tương đương và phương pháp tính toán hiệu suất của máy biến áp, những phương pháp này cũng có thể áp dụng cho máy biến áp ba pha.

Máy biến áp ba pha cũng có những vấn đề đặc thù riêng:

➢Phương thức kết nối

➢Cấu trúc mạch từ

5.8.1 Phương pháp đấu nối và nhóm đấu nối của máy biến áp ba pha

(1) Phương pháp kết nối

(a) Kết nối hình sao (b) Kết nối hình tam giác

Quy định:

Các chữ cái viết hoa (A, B, C, N) đại diện cho hình vuông ban đầu;

các chữ cái viết thường (x, y, z, n) thay mặt cho bên thanh toán;

(2) Liên kết các nhóm

Trong máy biến áp ba pha, các nhóm thường được sử dụng để biểu thị sự chênh lệch pha giữa điện áp sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp ba pha: θ=(EABEab), là bội số của 30°, chính xác nằm giữa các giờ trên mặt đồng hồ. Do đó, mối quan hệ pha giữa điện thế dây cuộn cao áp và hạ áp của máy biến áp ba pha thường được biểu thị bằng "ký hiệu đồng hồ", tức là số nhóm.

Cách xác định nhóm:

Sử dụng điện thế đường dây phía cao EAB như một kim dài, chỉ vào điện thế đường dây phía thấp "12" trên mặt đồng hồ.

Eab là một kim ngắn, và con số mà nó chỉ vào là số nhóm đấu nối của máy biến áp ba pha.

A. Nhóm đấu nối của máy biến áp một pha

Khái niệm cùng tên:

Khi cùng một lõi sắt được quấn hai cuộn dây, để phản chiếu hai cuộn dây trên cùng một lõi sắt, cần phải làm như sau:

Mối quan hệ giữa hướng quấn của các cuộn dây thường dẫn đến khái niệm "đầu cùng tên".

Cùng tên với bên kia ghi:

Hai cuộn dây trên cùng một lõi được liên kết bởi cùng một từ thông. Khi từ thông biến thiên, nếu điện thế tức thời cảm ứng ở một đầu của cuộn dây dương so với đầu kia của cùng cuộn dây đó, thì hai đầu cực đều dương được gọi là cùng một cực, được ký hiệu bằng "*".

(a) Cuộn theo cùng một hướng (b) Cuộn theo hướng ngược lại

Đối với máy biến áp một pha, đầu cuộn dây cao áp được ký hiệu là A và đầu cuối được ký hiệu là X; đầu cuộn dây hạ áp được ký hiệu là a và đầu cuối được ký hiệu là X.

Quy định:

Chiều dương của điện thế là từ đầu đến cuối.

Trong máy biến áp, đầu có cùng tên có thể được sử dụng làm đầu vào, hoặc đầu có cùng tên có thể được sử dụng làm đầu vào. Hình a và b bên dưới lần lượt thể hiện mối quan hệ pha giữa điện thế sơ cấp và thứ cấp trong hai trường hợp này.

(a) Đầu có cùng tên được đánh dấu là đầu (b) Đầu có cùng tên được đánh dấu là đầu

Nếu phương pháp nhận dạng trong đó đầu có cùng tên được đánh dấu là đầu nguồn được áp dụng (xem Hình a), thì nhóm máy biến áp một pha là I, i0; đối với I, i6.

B. Nhóm đấu nối của máy biến áp ba pha

Thông qua mối quan hệ pha giữa điện thế sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp một pha (hoặc điện thế pha sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp ba pha), người ta có thể xác định thêm mối quan hệ pha giữa điện thế sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp ba pha, tức là nhóm đấu nối.

(1) Máy biến áp ba pha kết nối Y/Y

(2) Máy biến áp ba pha kết nối Y/△

Các bước chung để xác định nhóm máy biến áp ba pha:

(1) Vẽ giản đồ vectơ điện thế của cuộn dây phía cao áp;

(2) Trùng điểm a và điểm A, và vẽ điện thế pha của cuộn dây hạ áp ax theo mối quan hệ pha giữa các cuộn dây cao áp và hạ áp trên cùng một cột lõi.

(3) Theo phương pháp đấu dây của cuộn dây điện áp thấp, hãy vẽ giản đồ vectơ điện thế của hai pha còn lại của cuộn dây điện áp thấp;

(4) Xác định EB và E từ giản đồ vectơ điện thế của cuộn dây cao áp và hạ áp. giữa

Đã xác định được mối quan hệ pha của máy biến áp ba pha và số nhóm đấu nối của máy biến áp ba pha.

Y/Y,△/△ một nhóm chẵn

Y/△,Y/△ một mảng lẻ

Có năm nhóm kết nối tiêu chuẩn thường được sử dụng:

Y, yn0, Y, d11, YN, d11, YN, y0, Y, y0, ba cái đầu tiên được sử dụng phổ biến nhất.

5.8.2 Cấu trúc mạch từ của máy biến áp ba pha

Đặc điểm của máy biến áp nhóm ba pha: mạch từ của mỗi pha hoạt động độc lập với nhau.

Đặc điểm của máy biến áp lõi ba pha: mạch từ của mỗi pha có mối liên hệ với nhau.

5.8.3 Sự phù hợp chính xác giữa kết nối cuộn dây và cấu trúc mạch từ của máy biến áp ba pha

Dòng điện hình sin tương ứng với dòng điện đỉnh sóng. Dòng điện hình sin tương ứng với dòng điện đỉnh sóng phẳng.

Tóm lại:

Để đảm bảo dạng sóng điện thế pha là hình sin, từ thông chính của mỗi pha phải thay đổi theo quy luật hình sin. Lúc này, cần đảm bảo dòng điện kích thích phải là dạng sóng đỉnh, tức là phải đảm bảo đường đi của dòng điện hài bậc ba trong mạch điện. (Tại sao?)

Từ thông của sóng đỉnh phẳng - (đạo hàm) - điện thế của đỉnh sóng, nếu đỉnh quá lớn, nó có thể phá vỡ lớp cách điện của cuộn dây.

Xét rằng mạch từ của mỗi pha trong máy biến áp nhóm là độc lập với nhau, chúng không liên quan đến nhau. Từ thông bậc ba chứa trong từ thông chính giống với từ thông sóng cơ bản và lưu thông trong mạch từ chính của mỗi máy biến áp pha, do đó tạo ra điện thế bậc ba biên độ cao hơn trong cuộn dây sơ cấp và thứ cấp, dẫn đến dạng sóng điện thế pha là sóng đỉnh nhọn (thu được bằng cách đạo hàm từ thông sóng đỉnh phẳng). Đỉnh của điện thế pha sóng đỉnh có thể phá vỡ lớp cách điện của cuộn dây.

Xét thấy mạch từ của mỗi pha trong máy biến áp lõi có liên quan với nhau, pha của từ thông bậc ba trong từ thông chính của sóng ba pha dạng đỉnh phẳng là như nhau, và nó không thể lưu thông trong mạch từ của lõi sắt chính. Một mạch từ kín được hình thành, khiến điện thế bậc ba cảm ứng bởi từ thông bậc ba trong cuộn dây sơ cấp và thứ cấp nhỏ, và dạng sóng điện thế pha vẫn gần với dạng sóng sin.

Tóm lại:

(1) Cuộn dây ba pha của máy biến áp cấu trúc nhóm ba pha không thể được kết nối bằng Y/Y; .

(2) Cuộn dây ba pha của máy biến áp có cấu trúc lõi ba pha có thể được kết nối bằng Y/Y, nhưng công suất không được quá lớn.

Một phía của cuộn dây được đấu nối theo kiểu tam giác, và dòng điện hài bậc ba có đường dẫn. Do đó, bất kể mạch từ là loại nhóm hay loại lõi, ba cuộn dây ba pha đều có thể được đấu nối theo kiểu △/Y.

Một phía của cuộn dây được đấu nối hình chữ Y, và dòng điện hài bậc ba không thể chảy trong đó, nhưng từ thông hài bậc ba được tạo ra bởi dòng điện hình sin sẽ cảm ứng dòng điện hài bậc ba trong cuộn dây thứ cấp (đấu nối hình tam giác) (xem hình dưới). Điều này cũng có thể đảm bảo rằng dạng sóng từ thông chính gần giống hình sin, do đó điện thế pha cảm ứng cũng là hình sin. Có thể thấy rằng hiệu quả của đấu nối hình tam giác ở cùng một phía sơ cấp là tương tự.

Tóm lại:

Đối với cuộn dây ba pha đấu nối 0/Y (hoặc Y/0), nó có thể được sử dụng cho máy biến áp ba pha cấu trúc nhóm hoặc máy biến áp ba pha cấu trúc nhóm.

Tóm lại:

Để đảm bảo điện thế pha có dạng hình sin, tốt nhất nên sử dụng kiểu đấu nối tam giác ở một phía của máy biến áp ba pha.

5.9 Máy biến áp đặc biệt trong hệ thống kéo điện

5.9.1 Máy biến áp tự ngẫu

(a) Sơ đồ cấu trúc (b) Sơ đồ đấu dây cuộn dây

Đặc điểm: Có một cuộn dây chung giữa cuộn dây sơ cấp và thứ cấp, điều này không chỉ tạo ra sự ghép nối từ tính mà còn tạo ra sự kết nối điện giữa hai cuộn dây sơ cấp và thứ cấp.

Tóm lại:

Công suất của máy biến áp tự ngẫu bao gồm hai phần:

(1) Công suất điện từ U2nIl2: đó là công suất được truyền tới tải thông qua sự ghép nối điện từ giữa cuộn dây Aa và cuộn dây chung ax;

(2) Công suất truyền tải U2nI1N: đó là công suất điện được truyền trực tiếp đến tải thông qua trục cuộn dây chung.

➢Dung lượng điện từ < dung lượng định mức

Kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ ít sắt và đồng, hiệu suất cao.

➢Tỷ lệ nhỏ

Dòng điện ở phần chung nhỏ hơn định mức phía thứ cấp.

Khoảng cách không rõ ràng, nền kinh tế bị suy giảm.

➢Do có kết nối điện trực tiếp, cần tăng cường cách điện bên trong và bảo vệ quá áp.

5.9.2 Máy biến áp

Biến áp - đo điện áp cao bằng đồng hồ đo điện áp thấp

Các biện pháp phòng ngừa:

Một đầu của mạch thứ cấp cần được nối đất; (để đảm bảo an toàn và ngăn ngừa sự tích tụ điện tích tĩnh ảnh hưởng đến kết quả đo)

Không được để ngắn mạch phía thứ cấp, nếu không biến áp sẽ bị cháy. (Có thể tăng dòng điện nếu có thể hạ áp).

Biến dòng 1 - Đo dòng điện lớn bằng ampe kế có giá trị thấp

Các biện pháp phòng ngừa:

➢ Một đầu của mạch thứ cấp cần được nối đất; (để đảm bảo an toàn và ngăn ngừa sự tích tụ điện tích tĩnh ảnh hưởng đến kết quả đo)

➢ Không được mở mạch thứ cấp, nếu không sẽ xuất hiện xung điện áp cao hơn ở mạch thứ cấp do số vòng dây lớn, dẫn đến hỏng lớp cách điện của cuộn dây biến áp. (Có thể tăng điện áp nếu giảm được dòng điện)