Kỹ thuật điện_ Phần 1.4

Chia sẻ: Vu Xuan Thanh | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:17

Thêm vào BST

Báo xấu

263
lượt xem 106
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu tham khảo môn kỹ thuật điện_ Phần 1.4 " Máy biến áp ba pha" dành cho các bạn học viên, sinh viên đang theo học các ngành liên quan đến điện- điện tử.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Kỹ thuật điện_ Phần 1.4

CHƯƠNG 4 MÁY BIẾN ÁP BA PHA 4.1 Mở đầu Trong thực tế công nghiệp, người ta thường sử dụng biến áp nhiều pha. Biến áp nhiều pha xuất hiện do nối một cách thích hợp nhiều biến áp một pha lại với nhau, hoặc do thiết kế riêng máy biến áp nhiều pha. So sánh 2 loại biến áp nhiều pha cùng công suất với nhau người ta thấy biến áp nhiều pha do ghép các biến áp một pha có số lượng thép nhiều hơn khối lượng thép của biến áp nhiều pha được thiết kế riêng. Vì vậy khi cần dùng biến áp nhiều pha người ta thiết kế riêng những biến áp như thế. Ta thường gặp các biến áp 3 pha, 6 pha, 9 pha 12 pha. Những biến áp có số pha lớn hơn 3 thường dùng rong các bộ biến đổi tĩnh. 4.2 Mạch từ của biến áp 3 pha. Để hình dung được quá trình hình thành biến áp 2 pha ta hãy xét một ví dụ sau: Ghép 3 biến áp 1 pha như hình 4.1 A B C x y z X Y Z 0 a b c Hình 4.1 Biến áp 3 pha được tạo từ 3 biến áp một pha Chúng ta còn có thể tạo một biến áp 3 pha như hình vẽ 4.2. Đây là biến áp có lõi thép phẳng 3 cột. Mỗi cột được đặt 2 cuộn dây: cuộn sơ cấp và cuộn thứ cầp. Loại biến áp 3 pha này có đặc điểm là từ thông trong các cột không đối xứng, cột giữa có số từ thông lớn hơn còn 2 cột bên có số từ thông ít hơn. Tuy 41
nhiên sự khác nhau này không lớn lắm, nên về nguyên tắc chúng ta có thể coi như từ thông các cột như nhau. A B C X Y Z x y z a b c Hình 4.2 Biến áp 3 pha lõi thép phẳng 4.3 Cách nối cuộn dây của máy biến áp 3 pha Cuộn dây của máy biến áp 3 pha phải đảm bảo nối đúng để từ thông khép kín qua mạch từ, nếu các cuộn dây nối không đúng từ thông sẽ không khép kín qua mạch từ, làm tăng dòng kích từ. Các cuộn dây của máy biến áp có thể nối sao, tam giác hoặc sao kép (zic-zắc). Với mỗi cuộn dây, việc lựa chọn đầu và cuối là tuỳ ý. Cuộn dây thuận, phải là cuộn dây mà đầu phải là điểm xuất phát, từ đó ta quấn cuộn dây theo chiều kim đồng hồ. Cuộn dây trái là cuộn quấn theo chiều ngược lại. Dưới đây chúng ta nghiên cứu cách nối dây trong máy biến áp 3 pha. 4.3.1 Cuộn dây biến áp 3 pha nối sao(Ký hiệu là Y(y)). Để tiện theo dõi chúng ta qui ước như sau: -Đầu cuộn dây sơ cấp ta ký hiệu tuần tự là A, B, C, cuối là X, Y, Z -Đầu cuộn dây thứ cấp ta ký hiệu tuần tự là a, b, c, cuối là x, y, z 42
Khi ta nối 3 đầu cuối của 3 cuộn dây sơ cấp (hoặc thứ cấp) của máy biến áp 3 pha lại ta được cuộn dây máy biến áp ba pha nối sao và ký hiệu là Y hoặc y). Máy biế áp 3 pha có thể thực hiện nối sao như sau: Sơ cấp và thứ cấp đều nối sao (hình 4.2). Với cách nối này sđđ tức thời ở các vòng dây khép kín AB-BC-CA được xác định như sau: eAB=eA-eB A B C eBC=eB-eC (4.1) eCA=eC-eA trong đó eAB, eBC, eCA- là sđđ dây (hình 4.3). eAB eBC eCA Những sđđ của biến áp trong trường hợp tổng quát không có dạng hình sin. Phân tích chúng sang chuỗi Fuorier =Ecó: sinω t+Emax3sin3ω t+ ....+ Emax5sin5ω t+... eA ta max1 xyz 2π 2π Hình 4.3πSơ đồ máy biến 2 eB=Emax1sin(ω t- )+Emax3sin3(ω t- ) + ....+ Emax5sin5(ω t- )+... áp (4.2) 3 3 3 ba pha nối sao 2π 2π 2π eA=Emax1sin(ω t+ )+Emax3sin3(ω t+ ) + ....+ Emax5sin5(ω t+ )+... 3 3 3 Thay các giá trị này vào (4.1) ta được: π π π eAB = 3 Emax1sin(ω t+ )+ 3 Emax5sin(5ω t- )+ 3 Emax7sin(7ω t+ ) ....+... 6 6 6 π 2π π 2π π 2π eBC = 3 Emax1sin(ω t+ - )+ 3 Emax5sin(5ω t- + )+ 3 Emax7sin(7ω t+ - )+.. 6 3 6 3 6 3 π 4π π 4π π 4π eCA = 3 Emax1sin(ω t+ - )+ 3 Emax5sin(5ω t- + )+ 3 Emax7sin(7ω t+ - )+.. 6 3 6 3 6 3 Từ các biểu thức này ta thấy: sóng bậc 3 và bội số của nó không tồn tại trong điện áp dây. Hiện tượng này có thể giải thích như sau: Điện áp dây của tất cả các sóng bậc 3k+1, kể cả sóng cơ bản (tức là sóng bậc nhất của hệ thống điện áp 3 pha) tạo thành những hệ thống đối xứng theo thứ tự đối nhau có pha đầu tiên ϕ=300 (hình 4.4a) còn tất cả các sóng bậc 3k-1 tạo thành hệ đối xứng ngược pha có góc lệch pha ϕ=-300 (hình 4.4b). -EB1 EAB1 EA1 -EC5 EBC1 EA5 EAB5 EC1 -EC1 ECA5 EB5 EB1 -EB5 E -EA1 C5 EBC5 -EA5 ECA1 a) b) Hình 4.4 Đồ thị véc tơ của sóng bậc 1(a) và bậc 5 (b) Biên độ của điện áp dây (3k+1) đều lớn hơn 3 biên độ sóng tương ứng của điện áp pha., cụ thể: 43
Emaxdγ = 3 Emaxdpγ (4.3) Trong đó: γ =3k+1 bậc sóng đa hài, d, p-ký hiệu dây và pha. Dòng điện sẽ là: Id=Ip (4.4) Công suất của sóng bậc 1: P1=3Ep1Ip1cosϕ = 3 Ep1Ip1cosϕ (4.5) 4.3.2 Cuộn dây biến áp nối tam giác (ký hiệu là D(d)) Để nối cuộn dây máy biến áp 3 pha tam giác ta làm như sau: đầu cuộn dây pha này nối với cuối cuộn dây pha khác bằng cách đó hình thành cho ta cuộn dây khép kín (Hình 4.5). Giả thiết rằng iAX, iBY , iCZ là dòng điện tức thời trong các cuộn dây 3 pha của biến áp 3 pha còn i A, iB , iC là dòng điện 3 dây nối vào các đầu -EBY IA IB IC IA A B C a b c IAX IAX IBY IB ICZ ECZ -ECZ X Y Z x y z EBY -EAX a) b) IC c) Hình 4.5 Sơ đồ máy biến áp ba pha nối tam giac a,b sơ đồ, c)Sao điện áp A,B,C của biến áp, ta có như sau: iA = iAX - iBY ; iB = iBY - iCZ (4.6) iC = iCZ – iAX Đồ thị véc tơ của sóng bậc 1 biểu diễn trên hình 4.5c. Từ đồ thị ta thấy rằng dòng điện trong dây dẫn vượt trước dòng điện trong pha một góc 300. Do vậy: Id1= 3 Ip1 (4.7) Nghĩa là dòng dây bằng căn 3 lần dòng pha. Dòng điện bậc 3 không thể chạy ở dây lưới cung cấp, mà nó khép kín trong các cuộn dây nối tam giác (hình 4.6). A -Y EA3 EC 3 Hình 4.6 Dòng bậc 3 khép kín trong vòng dây tạo nên từ 3 I3 pha C-X B-Z EA3 44
4.3.3 Cuộn dây biến áp nối sao kép (zic-zắc). Để nối cuộn dây biến áp 3 pha thành sao kép ta chia mỗi cuộn dây ra làm 2 phần có số vòng dây bằng nhau, sau đó ta nối nửa cuộn dây trên của pha này với nửa cuối cuộn dây pha khác (hình 4.7). Với cách nối như vậy, làm cho sđđ ở mỗi pha là hiệu hình học sđđ ở các nửa cuộn dây cùng một cuộn dây. Sđđ sẽ bằng 3 sđđ của mỗi cuộn dây. Cách nối này chỉ dùng ở cuộn hạ điện áp. IA IB IC A B C IAX IBY ICZ X Y Z 3 b Ub Ua 4 3 3 3 Ua ua ub uc Uab 4 4 4 Uc 5 5 Ub c 5 5 5 5 Uc Ub 4 6 uc ua ub Ua 6 6 6 3 a uab a b c a b c c) a) b) Hình 4.7 Sơ đồ máy biến áp ba pha nối sao kép (a); Sao điện áp (b); Đồ thị tô-pô (c) 4.4 Tổ nối dây của máy biến áp 3 pha Ở máy biến áp 3 pha cho biết cách nối cuộn dây chưa đủ, vì nó không cho ta biết độ lệch pha giữa điện áp sơ cấp và thứ cấp của pha cùng tên. Việc biết được góc lệch pha giữa điện áp phía sơ cấp và thứ cấp rất cần thiết khi biến áp làm việc song song. Vì lẽ đó ở biến áp ba pha, ngoài việc cho biết cách nối cuộn dây, người ta còn cho biết góc lệch pha α giữa điện áp dây phía sơ cấp với điện áp dây phía thứ cấp. Căn cứ vào góc lệch pha α, người ta chia ra thành những tổ nối dây khác nhau. Có sự lệch pha giữa điện áp sơ cấp và thứ cấp là do: -Hướng quấn dây khác nhau; 45
-Cách ký hiệu đầu và cuối cuộn dây khác nhau; -Cách nối cuộn dây biến áp 3 pha khác nhau. Để giải thích ảnh hưởng của 2 yếu tố đầu tiên ta lấy biến áp một pha để giải thích. A A A A X a a X 0 X x a x x Xx a a) b) Hình 4.8 Sự hình thành góc lệch pha giữa điện áp sơ cấp và thứ cấp ở máy biến áp ba pha: a) Góc lệch pha α=0,b) α=1800 do nhận đầu và cuối cuộn dây sơ cấp và thứ cấp khác nhau Giả thiết rằng cuộn trên là cuộn cao áp, cuộn dưới là cuộn thấp áp. Ở hình 4.8a cách quấn dây cuộn sơ cấp và thứ cấp như nhau, cách nhận đầu và cuối cuộn dây như nhau. Vì 2 cuộn dây của biến áp cùng nằm trên một cột, cùng chịu sự tác dụng của 1 từ thông nên sđđ xuất hiện trong 2 cuộn dây tại mọi thời điểm sẽ có cùng hướng so với trụ nối dây ví dụ: ở cuộn sơ cấp từ X→A, và ở cuộn thứ cấp từ x→a , như vậy điện áp ở cuộn sơ cấp và thứ cấp trùng pha. Vẫn giữ nguyên chiều quấn dây của 2 cuộn nhưng ta đổi cách nhận đầu và cuối cuộn sơ cấp và thứ cấp, lúc này điện áp U1 sẽ lệch pha 1800 so với điện áp U2 của cuộn thứ cấp (hình 4.8b). Để chỉ góc lệch pha của 2 điện áp, người ta không dùng độ mà dùng giờ vì nó tiện hơn, phương pháp này như sau: Nếu nhận véc tơ điện áp cao là kim phút và đặt ở con số 12, thì véc tơ điện áp phía hạ áp là kim giờ và nằm ở con số tương ứng với góc lệch pha giữa hai điện áp này. Vậy với hình 4.8a thì kim giờ trùng kim phút và nằm ở con số 12 (12 giờ) còn ở hình 4.8b kim phút nằm ở con số 12 nhưng kim giờ nằm ở con số 6 (6 giờ). Vì một giờ ứng với 300 nên căn cứ vào số giờ ta biết được hai điện 46
áp lệch nhau bao nhiêu độ. Nói một cách khác là ta biết được tổ nối dây của biến áp 3 pha. Dưới đây chúng ta xây dựng một số tổ nối dây. 1-Tổ nối dây Yy0 (hình 4.9) S R S US URS UST T UAB A B C UT B UR R T 1 1 1 UTR 1 B UA UB UC UAB UB UB 2 2 2 UC B 2 2 UA 2 UC 1 3 3 1 UA 3 A C c) Ua Ua Uc Ub b 3 4 4 4 Uc Uab Ub Ua 4 4 Uab a U 4 UC c a b c α=0 a 3 3 r Yy0 s Uab t UAB B Hình 4.9 Sơ đồ máy biến áp ba pha nối sao có tổ nối dây Yy0 Giải thích cách nối như sau:Giả thiết rằng máy biến áp được nối sao, các cuộn dây có cùng chiều quấn dây, cùng ký hiệu đầu và cuối. Cuộn có điện ápcao là cuộn sơ cấp, cuộn có điện áp thấp là thứ cấp. Sao véc tơ điện áp sơ cấp và thứ cấp là đối xứng. Một biến áp 3 pha như thế gọi là biến áp 3 pha có tổ nối dây 12h vì sao điện áp cuộn thứ cấp ax-by-cz tạo tam giác abc trùng pha với sao điện áp phía sơ cấp AX-BY-CZ và tam giác ABC (hình 4.9). 2-Tổ nối dây Yy-6 (hình 4.10). Nếu ta quấn cuộn dây thứ cấp theo chiều ngược lại hoặc thay đổi các ký hiệu đầu và cuối thì lúc này tam giác abc sẽ lệch 1800 so với tam giác ABC hay (α=6x30=1800). Bây giờ ta có biến áp 3 pha với tổ nối dây Yy6. Nếu cuộn thứ cấp có nối dây ze-rô thì ta có Yy0-6. 3-Tổ nối dây Dy-5 . 47
Phía sơ cấp bây giờ nối tam giác (hình 4.11), phía thứ cấp nối sao. Ta dựng sao điện áp cho cuộn sơ cấp và thứ cấp. Do phía sơ cấp nối tam giác, nên sao điện áp là điện áp dây và tam giác hợp thành từ điện áp dây có cạnh bằng chính điện áp dây. Phía thứ cấp nối sao nên điện áp dây lớn hơn điện áp pha. Giũa điện áp Uab của phía thứ cấp và điện áp UAB của sơ cấp lệch nhau 1500 nên ta có Dy-5. S R S T US URS UST UAB A B C UT 1 B 1 1 UR R T UTR 1 UC B UA UB UAB UB UB 2 2 2 UC B 2 2 UA 2 UC 1 1 UA 3 3 3 A C c) Ua Ua Uc Ub 3 c 4 Uc 4 Ua 4 4 4 Ua a UC a Uab b c Uab IC 3 Ub Uab 3 r α=180 0 s Yy6 4b t UAB R B S Hình 4.10 Sơ đồ máy biến áp ba pha nối sao có tổ nối dây Yy-6 UST S T URS UST UAB A B C UTS 1 B 1 1 T UA UB R UTR URT UC B UB 1 2 2 2 2 UAB= UA UC 1 1 3 3 3 A 2 c) 2 C UA Ua Ua Uc Ub a Uc 4 Ua 4 4 4 c 3 Uc 3 3 Uab Uab b Uab 4 a c Ub Ua r α=1500 b4 s Dy-5 t 48 UAB Hình 4.11 Sơ đồ máy biến áp ba pha nối B giác sao có tổ nối dây Dy- tam
Các tổ nối dây 12, 6, 11, 5 là các nhóm cơ sở. Từ những nhóm này ta có thể tìm được những nhóm khác bằng cách thay đổi cách nối dây cuộn hạ áp.Ta thường gặp các tổ nối dây : Yy-12, Yy-5, Dy-5, Yd-5, Yz-5, Dy-11, Yd-11, Yz- 11. 4.5 Phạm vi sử dụng các tổ nối dây và hệ số biến áp của máy biến áp 3 pha 4.5.1 Phạm vi sử dụng các tổ nối dây -Tổ nối dây Yy0-12 được dùng trong những trường hợp khi tải vừa dùng cho chiếu sáng (cần điện áp pha) vừa cấp điện cho mạch động lực. Các động cơ được đấu vào lưới với điện áp 220V hoặc 380V. -Tổ nối dây Yd-11 được dùng khi điện áp lớn hơn 400V. Thứ cấp nối tam giác có lợi là giảm được sóng bậc 3. -Tổ nối dây Y0d-11 (sơ cấp nối sao có dây zero) được sử dụng khi phía sơ cấp nối đất. 4.5.2 Hệ số biến áp của máy biến áp nhiều pha Hệ số biến áp của máy biến áp nhiều pha được định nghĩa: là tỷ số của 2 điện áp dây (phía sơ cấp và phía thứ cấp). Ở biến áp 3 pha khi biến áp nối sao thì Ud= 3 Up, còn nối tam giá thì Ud=Up Dựa theo định nghĩa trên ta có: 1.Hệ số biến áp 3 pha có nối dây: Yy U d1 3U p1 W1 kuy= U = =W d2 2U p 2 2 2.Hệ số biến áp 3 pha có nối dây: Dd U d1 U p1 W1 kud= U = U = W d2 p2 2 3.Hệ số biến áp 3 pha có nối dây: Yd U d1 3U p1 3W1 kuYd = U = = d2 U p2 W2 4.Hệ số biến áp 3 pha có nối dây: Dy U d1 U p1 W1 kuDy = U = = 3W d2 3U p 2 2 4.6 Các sóng bậc cao của dòng điện và từ thông 49
Phần trước ta đã nghiên cứu khi cung cấp cho biến áp một pha một điện áp hình sin có biên độ vượt điểm bão hoà của đặc tính kích từ của vật liệu. Trong trường hợp này, dòng kích từ biến dạng và chứa sóng bậc 3. Đây là bậc có nhiều ảnh hưởng tới hệ thống. Ta hãy nghiên cứu chúng. Như ta đã biết, trong hệ thống 3 pha đối xứng có sóng bậc cao lẻ γ thì góc lệch pha giữa các dòng cùng bậc ở các pha xác định bằng biểu thức: 2π ϕγ = γ (4.8) 3 Và tần số dao động xác định bằng biểu thức: ω γ =γω 1 (4.9) Trong đó ω 1-tần số dao động của sóng bậc 1. Bây giờ ta hãy xem sóng bậc 3 tồn tại ở những hệ thống nào. a-Hệ thống biến áp nối sao có dây trung tính phía sơ cấp Y0y. 2π Theo (4.7) ϕ 3= 3 =2π nghĩa là chúng trùng pha. Trong hệ thống này 3 dòng bậc 3 có thể chạy từ nguồn tới biến áp vì dòng bậc 3 chạy trong dây trung tính. Do đó dòng kích từ là dòng không hình sin nên từ thông sẽ có dạng hình sin b-Hệ thống biến áp nối sao không dây trung tính phía sơ cấp Yy. Ở hệ thống Yy dòng bậc 3 không tồn tại, do đó từ thông không có dạng hình sin, nó chứa từ thông bậc 3. Từ thông bậc 3 không khép kín được qua lõi thép mà khép kín qua không khí hoặc dầu (hình 4.12) là môi trường có độ dẫn từ kém nên gây tổn hao trong biến áp vì tần số bậc 3 gấp 3 lần tần số sóng cơ bản (bậc 1). Sự tồn tại từ thông bậc 3 xuất hiện sđđ bậc 3 trong các pha riêng biệt nhưng không xuất hiện ở điện áp dây vì chúng cùng pha và bị triệt tiêu ở trong mạch của mỗi cặp pha mắc sao (hình 4.13). φ3 φ3 φ3 φ3 φ3 φ3 Hình 4.12 Từ thông bậc 3 (a) và đường khép kín của từ thông bậc 3 (b) UA1 UA3 UA3 UAB UCA UA1 UBC UC1 UB1 UC 3 UB3 a) b) UC1 UB1 c) Hình 4.13 Các sóng bậc 3 không xuất hiện ở điện áp dâu (c) 50
Như vậy nếu biến áp được cung cấp điện áp hình sin, thì điện áp dây phía thứ cấp là hình sin. Ảnh hưởng của từ thông bậc 3 sẽ lớn ở các biến áp có 5 cột hoặc biến áp có lõi thép phẳng vì ở những biến áp này từ thông bậc 3 khép kín qua gông từ là môi trường có độ dẫn từ lớn. c.Hệ thống Yd Ở hệ thống Yd dòng kích từ bậc 3 sẽ không tồn tại, nên xuất hiện từ thông kích từ bậc 3. Từ thông này sẽ cảm ứng ở cả 2 phía sđđ bậc 3. Sđđ bậc 3 không tạo ra một dòng điện nào ở phía sơ cấp vì mắc sao, còn ở phía thứ cấp do cuộn dây nối tam giác nên tồn tại dòng bậc 3 khép kín trong 3 cuộn dây của biến áp (nối tam giác nên là cuộn dây kín), dòng bậc 3 sinh ra từ thông bậc 3 có chiều ngược với từ thông bậc 3 của từ thông kích từ, nên khử bớt từ thông bậc 3 này. Tuy có sđđ bậc 3 ở phía thứ cấp nhưng nó không xuất hiện ở điện áp dây vì chúng tự triệt tiêu (ngắn mạch) trong các cuộn dây. d-Hệ thống Dy Giống như hệ thống trên, phía sơ cấp không có dòng bậc 3 nhưng vì cuộn dây nối tam giác nên trong nó xuất hiện dòng bậc 3, tạo ra từ thông bậc 3 khử bớt từ thông bậc 3 kích từ. Qua phân tích trên đây ta thấy rằng để giảm ảnh hưởng của dòng điện bậc 3 thì biến áp 3 pha ít nhất có một cuộn được nối tam giác. Trong trường hợp không thể dùng một phía nối tam giác (Yy) thì người ta dùng một cuộn phụ nối tam giác đặt trong biến áp, đầu cuộn dây phụ này không dẫn ra ngoài, nó làm nhiệm vụ cuộn dây cân bằng. 4.7 Chế độ tải của máy biến áp 3 pha. 4.7.1 Tải đối xứng máy biến áp 3 pha. Nếu tải 3 pha có giá trị bằng nhau nghĩa là: ZA=ZB=ZC (tải nối sao) ZAB=ZBC=ZCA (tải nối tam giác) thì ta có hệ thống tải đối xứng. Trong các hệ thống này, nếu nguồn cung cấp đối xứng thì: a.Khi tải nối sao Ud= 3 Up (4.10) Id=Ip 2-Khi tải tam giác Ud=Up Id= 3 Ip (4.10a) Do tải đối xứng nên ta chỉ cần tính toán cho một pha. 4.7.2 . Tải không đối xứng. Khi dòng điện trong các pha của biến áp 3 pha không đều nhau, sẽ xuất hiện hàng loạt những hiện tượng phụ thường là chúng có ảnh hưởng xấu tới biến áp ví dụ: làm mất đối xứng của biến áp, gây tổn hao phụ, làm tăng nhiệt độ của biến áp lên quá mức v.v. 51
Hiện tượng tải không đối xứng của biến áp có thể do ngắn mạch, do các phụ tải khác nhau, điện áp nguồn cung cấp cho các pha không bằng nhau. Trong các dạng tải không đối xứng trên thì hiện tượng ngắn mạch không đối xứng giữ một vai trò rất quan trọng trong khai thác. Để phân tích chế độ không đối xứng của mạch 3 pha, người ta thường dùng phương pháp phân tích hệ thống 3 pha không đối xứng thành 3 hệ thống 3 pha đối xứng như sau: -Hệ đối xứng thuận ký hiệu bằng số 1; -Hệ đối xứng nghịch ký hiệu bằng số 2; -Hệ đối xứng không ký hiệu bằng số 0. Như vậy khi nghiên cứu hệ 3 pha không đối xứng có thể thực hiện nghiên cứu riêng rẽ về điện áp, dòng điên và từ thông của các hệ thống đối xứng. Để làm điều đó ta dùng 3 sơ đồ tương đương với các thông số của từng hệ đối xứng. Dùng phương pháp xếp chồng sẽ cho ta kết quả của hệ thống 3 pha không đối xứng. Do hệ đối xứng zero trùng pha nên chỉ tồn tại ở những hệ thống 3 pha có dây trung tính, nghĩa là hệ thống 3 pha 4 dây hoặc nối tam giác. Khi nghiên cứu tính chất của các tổ nối dây khác nhau cần khẳng định rằng các quá trình xảy ra trong một tổ đấu dây nhất định, phụ thuộc vào các đại lượng cho trước và các luật về điện và từ . Những đại lượng đó là: Điện áp dây phía sơ cấp luôn thoả mãn phương trình sau (không phụ thuộc vào cách nối dây): • • • U AB + U BC + U CA =0 (4.11) -Dòng điện phía thứ cấp do hệ thống không đối xứng gây ra: • • • • I a + I b + I c = I 0 =0 (4.12) Sử dụng phương pháp thành phần đối xứng để nghiên cứu hệ thống 3 pha không đối xứng, thực chất là nghiên cứu hệ thống ze-ro vì các hiện tượng xảy ra trong biến áp 3 pha do hệ thuận (1) và ngược (2) không khác nhau vì rằng sự hoạt động của biến áp 3 pha không phụ thuộc vào thứ tự điện áp và dòng điện. Từ đó ta rút ra kết luận là các thông số R1,R2, X1, X2, Xµ , RFe của sơ đồ tương đương cho hệ thống đối xứng thuận và ngược là giống nhau. Hệ thống chứa dòng bậc ze-ro Ta lấy máy biến áp có tổ nối dây Yy0 (hình 4.14) IA Ua Ia UA Ub IB Ib T Uc UB Ic Ả IC I I0 UC 52
Hình 4.14 Máy biến áp trong hệ Yy0 Để đơn giản cho nghiên cứu, ta giả thiết rằng số vòng dây cuộn sơ cấp và thứ cấp bằng nhau, đồng thời bỏ qua dòng không tải. Khi tải không đối xứng ta có: • • • • Ia+ Ib+ Ic = I0 ≠ 0 (4.13) Mặt khác • • • • I a = I a1 + I a 2 + I a 0 • • • • I b = I b1 + I b 2 + I b 0 • • • • I c = I c1 + I c 2 + I c 0 Trong đó : • 1 • • • I a1 = ( I a + a I b + a 2 I c ) 3 • 1 • • • I a 2 = ( I a + a 2 I b + aI c ) (4.14) 3 • 1 • • • I a0 = (I a + I b + I c ) 3 Dòng thành phần của pha b và c như sau: • • • • I b1 = a 2 I a1 ; I c1 = a I a1 • • • • I b2 = a I a2 ; I c2 = a2 I a 2 (4.15) • • • 1• I ao = I bo = I co = I 0 3 2π Trong đó a=e j 3 (4.16) Biến áp này được cung cấp bằng một điện áp đối xứng nhưng tải không đối xứng. Trên hình 4.15 ta biểu diễn sơ đồ tương đương một pha cho các hệ đối xứng của biến áp tải không đối xứng. ZA1 Za1 Ia1 ZA2 I I02 Za2 a2 ZA0 I I01 I00 Za0 a0 UA1 EA1 Ua1 EA2 Ua2 ∼ Z01 Z02 UA0 Ua0 UA2=0 EA2 Z00 a) b) c) Hình 4.15 Sơ đồ tương đương máy biến áp khi tải phi đối xứng: a) Thành phần thuận, b) Thành phần ngược, c)thành phần ze-ro Với thành phần thuận, vì điện áp nạp đối xứng và bỏ qua dòng không tải nên: • • I A1 p = I a1 p (4.17) 53
Tương tự ta có thể viết cho các pha khác. Trên hình 4.15 b là sơ đồ tương đương cho hệ thống ngược, do điện áp nạp đối xứng nên phía sơ cấp không có hệ điện áp ngược (UA2=0) nên hệ thống ngắn mạch phía sơ cấp. Trong sơ đồ tương đương của 2 thành phần đối xứng ngược và thuậ ta có: ZA1=ZA2; Za1=Za2; Z01=Z02 (4.18) Trong đó chỉ số A- cho phía sơ cấp, chỉ số a- cho phía thứ cấp. Z 01=Z02 là điện trở tổng của nhánh kích từ trong sơ đồ tương đương Dòng điện của thành phần ngược gây nên do tải không đối xứng khi bỏ qua dòng kích từ có thể xác định bằng công thức • • I A2 p = I a 2 p (4.19) Tương tự ta có thể viết cho các pha khác. Qua phân tích trên đây ta kết luận: Ở phía sơ cấp của các pha riêng biệt có chạy 2 dòng điện thành phần thuận nghịch ứng với 2 thành phần này của phía thứ cấp. Trên hình 4.15c là sơ đồ tương đương của thành phần ze-ro. Vì cuộn dây sơ cấp nối sao không có dây trung tính, nên không tồn tại dòng ze-rô, phía sơ cấp hở. Thành phần dòng ze-ro chỉ chạy ở phía thứ cấp. Sử dụng phương pháp xếp chồng ta được công thức cho dòng pha phía sơ cấp: • • • • • • I A = I Ap = I A1 + I A 2 ≈ I a1 + I a 2 (4.20) Tương tự cho các pha khác. Sđđ của thành phần thuận và ngược triệt tiêu nhau ở các cột (vì bỏ qua dòng không tải). Dòng thành phần ze-rô chạy ở phía thứ cấp giống như sóng bậc 3, từ thông do nó sinh ra không khép kín được qua lõi thép mà khép kín qua không khí hoặc qua dầu. Nó gây ra tổn hao phụ. Dòng Ia0 chạy qua điện trở Za0 gồm RFe0 và Xµ . Nếu coi RFe0=0 thì ZA0=Xµ .; Xµ . phụ thuộc chủ yếu vào mạch từ và nó nhỏ hơn Xµ1 và.Xµ2 vì nó khép kín qua không khí. Nếu bỏ qua độ giảm điện áp trên điện trở thuần của các cuộn dây, thì điện áp các pha có thể tính được như sau; • • • • U A1 ≈ E A1 ≈ E a1 ≈ U a1 • • • • U A2 ≈ E A 2 ≈ E a 2 ≈ U a 2 (4.21) • • • • U A0 ≈ E A0 ≈ E a 0 ≈ U a 0 Tương tự cho các pha khác. Vì điện áp nạp đối xứng (UA2=0) do đó: • • • • U A ≈ E A1 + E A0 ≈ U a • • • • U B ≈ E B1 + E B 0 ≈ U b (4.22) • • • • U C ≈ E C1 + E C 0 ≈ U c 54
Giá trị EA0=Xµ0Ia0 phụ thuộc vào loại lõi thép (Xµ0) và vào giá trị của dòng thành phần ze-ro Ia0, còn vị trí của sđđ pha này phụ thuộc vào đặc tính tải (cosϕ) và loại phi đối xứng. Trên hình 4.16 biểu diễn đồ thị véc tơ của biến áp vừa nghiên cứu. Để nhận được điện áp UA, UB, UC ta cộng các sđđ hệ đối xứng EA1, EA2, EC1 với thành phần E0. Điện áp dây UAB, UBC, UCA tạo thành tam giác đều, nó chính là hệ thống điện áp nguồn cung cấp đối xứng. Do có E0 mà điểm 0 dịch chuyển khỏi trọng tâm của tam giác một đoạn E0 nên làm cho điện áp pha cả 2 phía không đối xứng. Độ không đối xứng của điện áp có hại cho tải. Mức độ không đối xứng phụ thuộc vào E0, vì thế tổ nối dâyYy0 chỉ nên sử dụng trong trưòng hợp khi dòng chạy trong dây trung tính nhỏ hơn 0,1Iđm. • B E0 B • • • E B1 U BC UB • • • • U AB U BC E B1 + E B 2 • • • • E A1 + E A 2 0’ U Bp 0’ E0 0 • • • • • UC E0 E C1 + E C 2 • • U AB • 0• • E A1 E C1 U ApU Cp A UA • A • C • • U CA E0 U CA • • • C 0 E I a0 = I b0 = I c0 Hình 6.17 Đồ thị véc tơ của máy biến áp khi điện áp cung cấp và tải không Hình 4.16 Đồ thị véc tơ của biến áp Yy0 tải đối xứng phi đối xứng. Khi biến áp Yy0 được cung cấp bởi nguồn điện áp không đối xứng và tải không đối xứng ta cũng tiến hành nghiên cứu như trên, nhưng trong trường hợp này UA2≠ 0 ( hình 4.17) -Biến áp Dy0 hoặc Y0y0 Khi tải không đối xứng, trong các pha phía sơ cấp chạy dòng thành phần ze-rô khép kín trong tam giác. Sơ đồ tương đương cho thành phần này sẽ ngắn mạch phía sơ cấp. Dòng ze-rô ở phía sơ cấp sẽ khử ảnh hưởng dòng ze-rô phía thứ cấp, kết quả là từ thông φ 0 hầu như bị khử nên E0 hầu như không tồn tại do đó điện áp 3 phía thứ cấp sẽ đối xứng, nếu điện áp nguồn cung cấp đối xứng. Ở biến áp Yy0 muốn khử độ không đối xứng trên tải, ta nên áp dụng ở phía sơ cấp một cuộn dây phụ nối tam giác , còn ở phía thứ cấp nên nối sao kép. Những hệ thống không tồn tại dòng ze-ro, thì khi tải không đối xứng chỉ tồn tại 2 dòng thuộc hệ thuận và hệ nghịch. Các dòng điện trong các pha phía 55
thứ cấp có đáp ứng của mình trong các pha phía sơ cấp gắn trên cùng cột lõi thép. Đặc điểm của hệ thống này là sự chuyển độ phi đối xứng của dòng điện pha từ phía thứ cấp sang sơ cấp. Khi điện áp nguồn cung cấp đối xứng thì hệ thống điện áp pha thực tế coi đối xứng. 4.8 Biến áp ba pha làm việc khi tam giác hở Để có tam giác hở ta chỉ cần có 2 biến áp một pha nối với lưới (hình 4.18). Để nghiên cứu ta giả thiết rằng : a-Điện áp phía sơ cấp đối xứng (UAB=UBC=UCA) và không phụ thuộc vào tải biến áp; b-Cuộn thứ cấp được tính quy đổi về phía sơ cấp; c-Dòng điện không tải I0=0; d-Khi tam giác kín tải phân bố đều; e-Bỏ qua độ sụt áp bên trong máy biến áp. Lúc này đồ thị véc tơ của điện áp, của dòng điện khi tam giác kín biểu diễn ở hình 4.18b. Các véc tơ UAB, UBC, UCA là một hệ đối xứng . Các véc tơ UAx, UBx, UCz sẽ là điện áp pha khi tải thuần trở thì các dòng điện IAx, IBx,ICz sẽ trùng pha với điện áp, còn dòng dây thì: • • • • • • I B = I Ax − I Bx ; I C = I By − I Cz ; I A = I Cz − I Ax • • • a) IB B (x) b (x) I’b UAB=UAx IAx UAB U’ab IB IA I’a U’bc IAx UBC A (z) IBy IC a (z) Icz UCA U’ca IBy -Icz -IAx ICz I’c UCA=Ucz IA UBC=UBy IC C (y) c (y) b) UAB=UAx IAxIB B =I B (x) b (x) I’b IAx=IB UAB U’ab IA I’a U’bc UBC A (z) IBy Icz=IC a (z) UCA ICz=IC U’ca I’c UBC=UBy UCA=Ucz IC C (y) c (y) Hình 4.18 a) Cách nối biến áp tam giác và b) tam giác hở 56
Hình ảnh dòng ở cuộn thứ cấp cũng giống ở cuộn sơ cấp. Bây giờ cuộn sơ cấp và thứ cấp đều là tam giác hở (cuộn By không có) vì rằng hệ thống điện áp UAB, UBC, UCA và ứng với nó là điện áp các pha UCz và UAx không đổi. Vậy theo điều kiện cân bằng sđđ cũng sẽ không thay đổi sđđ phía sơ cấp. Khi bỏ qua độ sụt áp ta có: Uab=U’AB, Uca=UCA tức là điện áp thứ cấp U’ab và U’ca cũng sẽ không thay đổi cả về pha và giá trị. Vì rằng U’ab+U’bc+U’ca=0 nên U’bc=- (U’ab+U’ca). Do đó điện áp U’bc và U’ca cũng không có sự thay đổi nào. Khi mạch thứ cấp tải một tải 3 pha nào đó, thì khi tam giác hở và bỏ qua sụt áp trong, biến áp vẫn giữ nguyên tính chất như khi nó là tam giác kín, nếu dòng dây sơ cấp và thứ cấp không đổi nhưng dòng pha của chúng sẽ thay đổi cả về pha lẫn trị số. Từ hình 4.18 ta thấy rằng dòng điện IAx trong pha A-X khi tam giác kín và khi hở chạy cùng một hướng, còn dòng Icz trong pha C-Z của tam giác hở ngược chiều với dòng Icz khi tam giác kín. Vì vậy khi tam giác hở IAx=IB, iCz=IC tức là dòng IAx vượt trước điện áp UAB một góc 300. Công suất của hệ thống không đổi và bằng 3UpIp=2 3 UpIpcos300. Song trong trường hợp này cuộn dây ở tam giác hở chịu quá tải về dòng là 3 lần. Để tránh quá tải cho cuộn dây ta phải giảm dòng tải đi 3 lần tức là 100/ 3 =58% dòng định mức của biến áp. Cộng các véc tơ UAB, UCA với các véc tơ sđđ tương ứng IAX.Zngm và ICz.Zngm ta nhận được điện áp phía thứ cấp U’ab, U’ca còn U’bc=-(U’ab+U’ca). Độ không đối xứng của biến áp phụ thuộc vào dòng tải và điện áp ngắn mạch (ungm). Nếu ungm=5,5% thì độ không đối xứng rất nhỏ có thể bỏ qua.. 57