MẠCH ĐIỆN BA PHA
Chương 6. MÁY BIẾN ÁP
6.1.2. Nguyên lý cấu tạo:
Cấu tạo của MBA gồm 2 bộ phận chính là: lõi sắt từ và các cuộn dây quấn (Hình 6-1).
- Cuộn dây W1 nối với nguồn điện gọi là cuộn sơ cấp - Cuộn dây W2 nối với tải được gọi là cuộn thứ cấp
Φ
∼
I1 I2
U1 U2
Hình 6-1. Nguyên lý cấu tạo máy biến thế a) Lõi thép :
Lõi thép là phần mạch từ của máy biến áp dùng để dẫn từ thông chính trong máy, nó được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện. Lõi thép được chia làm hai phần :
+ Trụ : là nơi để đặt dây quấn.
+ Gông : là phần khép kín mạch từ giữa các trụ.
b) Dây quấn:
Dây quấn máy biến áp thường được chế tạo từ dây đồng hoặc nhôm, có tiết diện tròn hoặc chữ nhật, bên ngoài dây có bọc lớp cách điện. Dây quấn được quấn thành nhiều vòng và lồng vào trụ lõi thép.
Giữa các vòng dây quấn có cách điện với nhau và cách điện với lõi thép.
Máy biến áp một pha có hai cuộn dây: một cuộn dây nối với nguồn xoay chiều gọi là cuộn sơ cấp , còn cuộn dây nối với tải gọi là cuộn thứ cấp.
TS. Lưu Thế Vinh
Lõi thép đóng vai trò mạch từ được ghép bằng các lá thép kỹ thuật dày 0,35 - 0,5mm. Các lá thép được sơn cách điện để chống hiệu ứng Fucô. Lõi thép có tiết diện dạng vuông hoặc chữ thập. Các MBA công suất lớn tiết diện trụ được làm thành nhiều bậc để dạng tiết diện gần tròn (Hình 6-2).
Hình 6-2. Hình dạng tiết diện lõi thép MBA
Theo hình dạng của mạch từ, MBA được chia làm kiểu bọc và kiểu trụ. Trong kiểu trụ, mạch từ không phân nhánh có dạng chữ O. Các cuộn dây của MBA quấn thành hình trụ. Để tạo liên hệ từ tốt và giảm tổn hao từ tản cuộn sơ cấp và thứ cấp được đặt lồng vào nhau, cuộn dây điện áp thấp đặt bên trong và cuộn dây điện áp cao đặt ngoài. Thường mỗi cuộn dây được chia làm hai phần quấn trên hai trụ của mạch từ (hình 6-3), trên mỗi trụ có một phần của cuộn sơ và một phần của cuộn thứ. Hai phần của mỗi cuộn dây được nối với nhau sao cho từ thông do chúng sinh ra cùng chiều.
Hình 6-3. Máy biến áp kiểu trụ
Loại MBA kiểu bọc, hai cuộn dây sơ cấp và thứ cấp được cuốn trên cùng một trụ, hai cuộn được cách điện với nhau (Hình 6-4).
KỸ THUẬT ĐIỆN 70
TS. Lưu Thế Vinh Hình 6-4. MBA kiểu bọc
Các MBA công suất lớn thường phải làm mát bằng dầu, toàn bộ lõi thép và các cuộn dây được ngâm trong thùng dầu, các đầu dây được đưa ra ngoài qua sứ xuyên bắt chặt trên nắp thùng (hình 6-5).
Hình 6-5. Máy biến áp điện lực 1- Các cuộn dây, 2- Gông mạch từ 3- Đầu sứ cao áp, 4- Đầu sứ hạ áp
5- Thùng dầu, 6- Ống dầu đối lưu tỏa nhiệt
§ 6.2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
Nguyên lý hoạt động của MBA dựa trên định luật cảm ứng điện từ. Giả sử đặt vào 2 đầu cuộn sơ cấp một thế hiệu xoay chiều u1, dòng xoay chiều i1 trên cuộn sơ cấp sẽ tạo ra một từ thông biến thiên Φ. Do mạch từ khép kín nên từ thông này sẽ móc vòng qua các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp (hình 6-6).
TS. Lưu Thế Vinh
Hình 6-6
Theo định luật cảm ứng điện từ trên các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp sẽ phát sinh các suất điện động cảm ứng e1 và e2.
Trong cuộn sơ cấp : 1 1 dΦ e - W
= dt Trong cuộn thứ cấp :
dt - W dΦ e2 = 2 Nếu Φ = Φmsinωt với ω =2π f thì ta có:
1 1 1 1
2 2 2 2
( sin ) cos sin ( )
2
( sin ) cos sin (
2
m m m
m m m
e W d t W t E t
dt
e W d t W t E t
dt )
ω ω ω ω π
ω ω ω ω π
= − Φ = − Φ = −
= − Φ = − Φ = −
6-1)
Như vậy, s.đ.đ e1 và e2 chậm pha hơn so với từ thông Φ một phần tư chu kỳ là π ⁄ 2.
Ta có, trị hiệu dụng của suất điện động trên hai cuộn dây là:
1 1 1
2 2
2 4,44
2 2
4,44
m m
m
E f
E W
E f W
1 m
π f W
= = Φ = Φ
= Φ
(6-2) Khi MBA không tải, dòng thứ cấp I2 = 0, dòng không tải sơ cấp rất nhỏ. Nếu bỏ qua điện trở dây quấn và từ thông tản ra ngoài không khí có thể xem gần đúng sđđ trong cuộn sơ gần bằng hiệu điện thế sơ cấp : E1 ≈ U1 và sđđ trong cuộn thứ bằng điện áp thứ cấp : E2 = U2 .
Lập tỷ số :
1 1
2 2
1
2
E U W
k = E ≈ U = W (6-3)
KỸ THUẬT ĐIỆN 72
TS. Lưu Thế Vinh k – gọi là hệ số biến áp .
Đối với máy tăng áp ta có: U1 < U2 , W1 < W2 , k < 1 Đối với máy hạ áp ta có: U1 > U2 , W1 > W2 , k > 1.
Nếu bỏ qua tổn hao trong MBA có thể coi gần đúng quan hệ giữa các lượng sơ cấp và thứ cấp như sau:
U I1 1 = U I2 2
Hoặc: 1 2
2 1
U I
U = I = k (6-4) § 6.3. MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA MÁY BIẾN ÁP
Để biểu diễn các quá trình điện từ xảy ra trong MBA người ta sử dụng các phương trình cân bằng điện từ giữa 2 mạch sơ cấp và thứ cấp.
Xét MBA một pha có 2 cuộn dây quấn như hình 6-7, trong đó mạch sơ cấp nối với nguồn điện áp U1. Mạch thứ cấp nối với tải có tổng trở Zt.
Hình 6-7
Để thiết lập các phương trình, trước hết ta chọn chiều dòng i1 như hình 6-7. Chiều của từ thông chính Φ phải thuận chiều i1 theo quy tắc vặn nút chai. Tiếp theo chiều của e1 và e2 phải phù hợp với Φ, nghĩa là e1 và i1 trùng chiều, còn dòng i2 ngược với chiều e2 (theo đúng địng luật cảm ứng điện từ). Trong mạch ngoài từ thông chính Φ móc vòng qua cả hai cuộn dây đóng vai trò truyền năng lượng điện từ còn có các từ thông tản.
Các từ thông tản chỉ móc vòng riêng rẽ với mỗi cuộn dây quấn và tản ra ngoài không khí. Từ thông tản do dòng sơ cấp i1 gây ra ký hiệu là Ψt1, từ thông tản do dòng thứ cấp gây ra ký hiệu là Ψt2. Giá trị của từ thông tản được đặc trưng bởi điện cảm tản L1 và L2 trên các dây quấn sơ cấp và thứ cấp tương ứng:
1 2
1 2
1 2
t , t
L L
i i
Ψ Ψ
= = (6-5)
TS. Lưu Thế Vinh