Giáo trình Máy điện - Chương 3: Máy biến áp 1 pha

Chương 3: MÁY BIẾN ÁP 1 PHA
1. Cấu tạo:
 * MBA 1 pha gồm 3 bộ phận chính: Lõi thép, dây quấn và vỏ máy.
1.1 Lõi thép:
	Nó dùng làm mạch từ và làm khung để quấn dây quấn.
	Lõi thép MBA được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện, ghép cách điện lại với nhau. Các lá thép thường có dạng:
Lõi thép gồm trụ và gông:
+ Trụ là bộ phận có dây quấn, được ký hiệu bằng chữ T
+ Gông là bộ phận dùng để ghép các trụ lại với nhau, được ký hiệu bằng chữ G và là phần không có dây quấn.
 Trụ và gông có thể ghép lại với nhau bằng phương pháp ghép nối hoặc ghép xen kẽ. Ghép nối thì trụ và gông ghép riêng, sau đó dùng xà ép và bulong vít chặt lại. Ghép xen kẽ thì toàn bộ lõi thép được ghép đồng thời và các lớp lá thép được xếp xen kẽ với nhau theo một trình tự nhất định (hình 1 và 2), sau khi ghép lõi thép cũng được vít chặt lại bằng bulong.
 Căn cứ vào hình dạng của lõi thép, người ta chia
MBA làm hai kiểu: MBA kiểu bọc và MBA kiểu trụ.
+ MBA kiểu trụ: là loại máy mà dây quấn bao quanh trụ thép, ở loại máy này từ thông qua trụ bằng từ thông qua gông (mạch từ không phân nhánh).
+ MBA kiểu bọc: là loại máy mà dây quấn được bọc trong các trụ thép, ở loại máy này từ thông qua trụ bằng tổng các từ thông qua gông, nên tiết diện của gông bằng nữa tiết diện của trụ (mạch từ phân nhánh).
2 Dây quấn: 
	Thường làm bằng đồng và được quấn theo kiểu đồng tâm xung quanh lõi thép. Cuộn dây hạ áp (HA) được quấn ở phí trong gần trụ thép. Cuộn dây cao áp (CA) được quấn ở phía ngoài bọc lấy cuộn HA. Giữa hai cuộn HA và CA có lớp cách điện, quấn như vậy sẽ giảm được vật liệu giữa cuộn CA với cuộn HA và với trụ.
	Đối với MBA kiểu bọc thì dây quấn cao áp và hạ áp được quấn xen kẽ với nhau.
1.3 Vỏ máy:
	Vỏ máy gồm thùng máy và nắp máy. Bên trong thùng đặt lõi thép dây quấn và đựng dầu. Dầu máy biến áp dùng để làm mát và tăng cường cách điện cho máy. Nắp máy dùng để đậy thùng và đặt các thiết bị quan trọng khác như: sứ cách điện, rơle hơi, thùng dầu ....
2. Nguyên lý làm việc:
	Giống nguyên lý làm việc chung của máy biến áp và khi máy biến áp không tải (cuộn thứ cấp hở mạch), và bỏ qua điện áp rơi trên dây quấn thì U1= E1; U2 = E2
	Gọi k là hệ số biến áp, thì:
Khi W1 > W2 k >1 hay U1 > U2: MBA giảm áp.
Khi W1 < W2 k <1 hay U1 < U2: MBA tăng áp.
3. Mô hình toán của MBA:
3.1 Qúa điện từ trong MBA:
	Ngoài từ thông chính chạy trong lõi thép còn có các từ thông tản. Từ thông tản không chạy trong lõi thép mà chạy tản ra ngoài không khí, các vật liệu cách điện v..v..Từ thông tản khép mạch qua các vật liệu không sắt từ, có đọ dẫn từ kém, do đó từ thông tản nhỏ hơn rất nhiều so với từ thông chính. Từ thông tản chỉ móc vòng riêng rẽ với mỗi dây quấn. Từ thông tản móc vòng sơ cấp ký hiệu là do dòng điện sơ cấp gây ra. Từ thông tản móc vòng thứ cấp là do dòng điện i2 gây ra. Từ thông tản được đặc trưng bằng điện cảm tản:
	Điện cảm tản dây quấn sơ cấp L1 là:
	L1=
	Điện cảm tản dây quấn sơ cấp L2 là:
	L2=
3.2 Phương trình điện áp sơ cấp:
	Xét mạch điện sơ cấp, gồm nguồn điện áp u1, sức điện động e1, điện trở dây quấn sơ cấp R1, điện cảm tản sơ cấp L1. Ap dụng định luật Kiếpchốp 2 ta có phương trình điện áp viết dưới dạng trị số tức thời là:
Hoặc chuyển vế ta có:
Nếu viết dưới dạng số phức:
Tổng trở phức dây quấn sơ cấp là:
Trong đó , là điện kháng tản dây quấn sơ cấp.
Phương trình điện áp sơ cấp viết dưới dạng số phức là;
3.3 Phương trình điện áp thứ cấp:
	Mạch điện thứ cấp gồm sức điện động e2, điện trở dây quấn thứ cấp R2, điện cảm tản dây quấn thứ cấp L2, tổng trở tải Zt. Phương trình Kiếpchốp 2 viết dưới dạng tức thời: 
	Hoặc ta có:
Nếu viết dưới dạng số phức, tổng trở phức dây quấn thứ cấp là:
Trong đó , là điện kháng tản dây quấn thứ cấp.
Phương trình điện áp thứ cấp sẽ là:
Điện áp thứ cấp U2 chính là điện áp thứ cấp đặt lên tải, do đó:
3.4 Phương trình sức từ động:
	Trong phương trình điện áp sơ cấp, , điện áp rơi thường rất nhỏ vì thế có thể lấy gần đúng .
	Vì điện áp lưới điện đặt vào máy biến áp U1 không đổi, cho nên sức điện động E1 không đổi và từ thông chính sẽ không đổi. Ở chế độ không tải, từ thông chính do sức từ động dây quấn sơ cấp sinh ra, còn ở chế độ có tải từ thông chính do sức từ động của cả 2 dây quấn sơ cấp và thứ cấp sinh ra. Sức từ động lúc có tải là .
	Vì không đổi, cho nên sức từ động không tải bằng sức từ động có tải, do đó ta có phương trình sức từ động dưới dạng tức thời như sau:
	 = 
Chia hai vế cho w1 ta có:
	 = 
Hoặc : 
Trong đó: 	k =hệ số biến áp.
	= (là dòng điện thứ cấp đã qui đổi về phía sơ cấp)
Phương trình sức từ động dưới dạng phức là:
4. Sơ đồ thay thế máy biến áp: 
	Từ mô hình toán:
 	(3.4.1) 	 
 	(3.4.2)
 	(3.4.3) 
Ta xây dựng mô hình mạch, đó là xơ đồ điện, gọi là sơ đồ thay thế, phản ảnh đầy đủ quá trình năng lượng trong máy biến áp, thuận lợi cho việc phân tích, nghiên cứu của máy biến áp.
Để xây dựng sơ đồ thay thế, trước hết cần thực hiện một số biến đổi toán học.
4.1 Qui đổi các đại lượng thứ cấp về sơ cấp.
Nhân phương trình 	(3.4.2) với k, phương trình (3.4.2) sẽ là:
Đặt 	(3.4.4)
 (3.4.5) 	
 (3.4.6)
Phương trình 	(3.IV.2) trở thành:
	 	(3.4.7)
Ta có phươmg trình điện áp thứ cấp là: 
	Nhân 2 vế phương trình với k, ta được:
	(3.4.8)
Phương trình (3.4.7); (3.4.8) là phương trình điện áp thứ cấp đã quy đổi về sơ cấp. 
 Trong đó lần lượt được gọi là sức điện động thứ cấp, điện áp thứ cấp, dòng điện thứ cấp, tổng trở dây quấn thứ cấp, tổng trở tải đã quy đổi về sơ cấp.
 Hệ (3.4.4; 5; 6) là các công thức quy đổi các đại lượng thứ cấp về sơ cấp.
Ta biết rằng, điều kiện quy đổi là bảo toàn năng lượng. Điều kiện đó dã được đảm bảo trong quá trình biến đổi trên. Thực vậy, công suất trên các phần tử trước và sau khi quy đổi bằng nhau.
4.2 Thiết lập sơ đồ thay thế máy biến áp:
	Bây giờ ta xét phương trình (3.4.1), vế phải phương trình gồm: Z1.I1 là điện áp rơi trên tổng trở dây quấn Z1 và (-E1) chính là điện áp rơi trên tổng trở Zth đặc trưng cho từ thông chính và tổn hao sắt từ. Vì từ thông chính do dòng điện không tải I0 sinh ra, do đó có thể viết:
	Trong đó là tổng trở từ hóa đặc trưng cho mạch từ.
	 là điện trở từ hóa đặc trưng cho tổn hao sắt từ.
	 là điện kháng từ hóa đặc trưng cho từ thông chính .
Thay giá trị -E1 vào 3 hệ phương trình của máy biến áp, cuối cùng ta có:
	(3.4.9)
	(3.4.10)
	 	(3.4.11)
Bây giờ ta xét phương trình (3.4.9; 10 11) chính là 2 phương trình Kiếchốp 2 và 1, phương trình Kiếchốp 1 viết cho mạch điện hình 1.6a nhánh có Zđược gọi là nhánh từ hóa.
Thông thường tổng trở nhánh từ hóa rất lớn, dòng điện Inhỏ, dó đó có thể bỏ nhánh từ hóa ta có sơ đồ thay thế gần đúng hình 1.6b.
Sơ đồ gần đúng được sw dụng nhiều trong tính toán các đặc tính của máy biến áp, Trong sơ đồ gần đúng hình 1.6b.
 R=R+R; X=X+X
5. Tính toán MBA 1 pha công suất nhỏ:
	Khi thiết kế MBA công suất nhỏ dùng ở lưới điện 1 pha, người ta chia thành 3 bước như sau để thực hiện: chọn mạch từ ; tính số vòng dây ; tính đường kính dây dẫn.
5.1 Chọn mạch từ:
	Mạch từ của MBA gồm có trụ và gông, tiết diện của trụ phải phù hợp với công suất của máy. Mặt khác khoảng cách giữa các trụ hay giữa trụ và gông cần phải đủ rộng để có thể quấn và đặt dây được dễ dàng. Khoảng cách này cửa sổ.
	Tiết diện của trụ được tính gần đúng theo công thức:
	S = 1,2	Trong đó:	P: là công suất của MBA (VA).
	S: là tiết diện của trụ (cm2).
	Nhưng trên thực tế, do còn phải ghép trụ từ các lá thép kỹ thuật điện lại với nhau, nên tiết diện này chưa phải là tiết diện thực tế vì khi ghép ta còn có các khe hở nhỏ nên ta se lấy tiết diện thực tế của lõi thép theo công thức:
	S’ = 1,1.S
* Bảng 1: bảng thông số tiết diện của lõi thép ứng với công suất của máy.
Công suất của MBA
(VA)
Tiết diện thực tế của trụ
(cm2)
5 25
2550
5070
 75100
 100150
150200
200300
300400
 400500 
37
710
1012
1214
1417
1719
1923
2327
2730
5.2 Tính số vòng dây của các cuộn dây:
	Với điện áp và tần số nhất định, số vòng dây của các cuộn dây phụ thuộc tiết diện lõi thép đã chọn và cảm ứng từ B của lõi thép.
Khi máy biến áp không tải (cuộn thứ cấp hở mạch) thì U1 = E1; U2E2
Vì 	E = 4,44
Nên 	U1= 4,44f SBW1
	U1= 4,44f SBW1
	Trong đó:	f : tần số 	(Hz)
	S: tiết diện hiệu dụng của lõi thép 	(cm2)
	B: cảm ứng từ của lõi thép (B = )
	W1; W2: số vòng dây của cuộn sơ và cuộn thứ
	U1; U2: điện áp của cuộn sơ và cuộn thứ.
* Để đơn giản trong tính toán, ta có thể áp dụng công thức kinh nghiệm của các nhà chế tạo để tính số vòng dây cho 1 vôn:	(vòng/vôn)
Khi tính số vòng của cuộn thứ phải tính đến tổn thất điện áp khi làm việc nên ta phải tăng thêm số vòng dây ở cuộn thứ cấp. Quá trình tính tổn thất rất phức tạp, do đó ta có thể dựa vào bảng 2 để tính giá trị gần đúng của số vòng cuộn thứ:
* Bảng 2: bảng thông số tổn thất điện áp trong MBA
Công suất của MBA
5
10
25
50
75
100
150
200
300
400
500
Tổn thất điện áp
20
17
15
12
10
9
8
7.5
7
6.5
6
5.3 Tính đường kính dây dẫn:
Ta có được công suất, cấp điện áp từ đó xác định được dòng điện dòng điện chạy trong dây quấn với công thức:
	Có dòng điện ta chọn đựoc tiết diện dây dẫn theo công thức:
	Với: J là mật độ dòng điện cho phép trong dây dẫn (A/mm2)
Vì mật độ dòng điện tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện và tỉ lệ nghịch với mật độ dòng điện cho phép trong cuộn dây.
* Bảng 3: bảng thông số mật độ dòng điện cho phép:
Công suất của MBA
(VA)
0 50
50 100
100 200
200 500
500 100
Mật độ dòng điện tối đa (A/mm2)
4
3.5
3
2.5
2
Biết tiết diện dây quấn, có thể tính được đường kính của dây theo công thức sau để chọn dây quấn: 
	Khi đã biết được số vòng dây và tiết diện dây, đường kính dây, trước khi tiến hành quấn cần phải xem xét toàn bộ các cuộn dây có đặt dễ dàng vào cửa sổ của lõi thép hay không, để thỏa mãn điều kiện này ta phải chú ý xem xét chiều cao và bề rộng của của sổ:	
	Scs = h.g	với h: chiều cao cửa sổ
	 g: bề rộng cửa sổ.