Bài giảng Máy điện - Chương 1: Nguyên lý cấu tạo máy biến áp - Phạm Khánh Tùng

 đổi 
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
1.3. Phân loại 
1. MBA điện lực để truyền tải và phân phối công suất trong hệ thống 
điện lực. 
2. MBA chuyên dùng sử dụng ở lò luyện kim, các thiết bị chỉnh lưu, 
MBA hàn ... 
3. MBA tự ngẫu dùng để liên lạc trong hệ thống điện, mở máy động 
cơ không đồng bộ công suất lớn. 
4. MBA đo lường dùng để giảm các điện áp và dòng điện lớn đưa 
vào các dụng cụ đo tiêu chuẩn. 
5. MBA thí nghiệm dùng để thí nghiệm điện áp cao. 
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
2. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP LÝ TƯỞNG 
Máy biến áp lý tưởng có các tính chất như sau : 
1. Cuộn dây không có điện trở. 
2. Từ thông chạy trong lõi thép móc vòng với hai dây quấn, 
không có từ thông tản và không có tổn hao trong lõi thép. 
3. Độ từ thẩm của thép rất lớn (µ = ∞), như vậy dòng từ hoá cần 
phải có để sinh ra từ thông trong lõi thép là rất nhỏ không đáng 
kể, do vậy stđ cần để sinh ra từ thông trong lõi thép cho bằng 
không. 
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
Sơ đồ nguyên lý của MBA 
một pha hai dây quấn 
Dây quấn 1 có N1 vòng dây được nối với nguồn điện áp xoay chiều 
u1, gọi là dây quấn sơ cấp. Ký hiệu các đại lượng phía dây quấn sơ 
cấp đều có con số 1 kèm theo như u1, i1, e1, 
Dây quấn 2 có N2 vòng dây cung cấp điện cho phụ tải Zt, gọi là dây 
quấn thứ cấp. Ký hiệu các đại lượng phía dây quấn thứ cấp đều có 
con số 2 kèm theo như u2, i2 , e2, 
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
Đặt điện áp xoay chiều u1 vào dây quấn sơ cấp → có dòng i1 → từ 
thông Φ trong lõi thép móc vòng với cả hai dây quấn, cảm ứng các 
sđđ e1 và e2. Khi MBA có tải, dây quấn thứ cấp có dòng i2 ra tải với 
điện áp là u2. Từ thông Φ móc vòng với cả hai dây quấn gọi là từ 
thông chính. Giả sử điện áp u1 sin nên từ thông Φ cũng biến thiên 
sin, ta có: 
Theo định luật cảm ứng điện từ, các sđđ cảm ứng e1, e2 sinh ra 
trong dây quấn sơ cấp và thứ cấp MBA: 
tsinm  
)90tsin(N
dt
d
Ne om111  

)90tsin(N
dt
d
Ne om222  

CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
Với E1, E2 là trị số hiệu dụng của sđđ sơ cấp và thứ cấp, 
m11 N.f2E  
m22 N.f2E  
Tỉ số biến áp k của MBA: 
2
1
2
1
N
N
E
E
k 
Nếu giả thiết MBA lý tưởng, nghĩa là bỏ qua sụt áp gây ra do điện 
trở và từ thông tản của dây quấn thì E1 ≈ U1 và E2 ≈ U2 : 
k
N
N
E
E
U
U
2
1
2
1
2
1 
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
Nếu bỏ qua tổn hao trong MBA: 
2211 IUIU 
Như vậy: 
k
I
I
U
U
1
2
2
1 
Nếu N2 > N1 thì U2 > U1 và I2 < I1 : MBA tăng áp. 
Nếu N2 I1 : MBA giảm áp 
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
3. CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
3.1. Lõi thép MBA 
Lõi thép MBA dùng để dẫn từ thông, được chế tạo bằng các vật 
liệu dẫn từ tốt, thường là thép kỹ thuật điện có bề dày từ 0,35 ÷ 1 
mm, mặt ngoài các lá thép có sơn cách điện rồi ghép lại với nhau 
thành lõi thép. 
Lõi thép gồm hai phần: Trụ và Gông . Trụ (T) là phần để đặt dây 
quấn còn gông (G) là phần nối liền giữa các trụ để tạo thành 
mạch từ kín 
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
3.2. Dây quấn MBA 
Nhiệm vụ của dây quấn MBA là nhận năng lượng vào và truyền 
năng lượng ra. 
Dây quấn MBA thường làm bằng dây đồng hoặc nhôm, tiết diện 
tròn hay chữ nhật, bên ngoài có bọc cách điện. Dây quấn gồm 
nhiều vòng dây và lồng vào trụ thép, giữa các vòng dây, giữa 
các dây quấn và giữa dây quấn với lõi ép đều có cách điện. 
Máy biến áp thường có hai hoặc nhiều dây quấn. Khi các dây 
quấn đặt trên cùng một trụ thì dây quấn điện áp thấp đặt sát trụ 
thép còn dây quấn điện áp cao đặt bên ngoài. Làm như vậy sẽ 
giảm được vật liệu cách điện. 
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
Dây quấn MBA có hai loại chính: 
Dây quấn đồng tâm: có tiết diện ngang là những vòng tròn đồng 
tâm. Những kiểu dây quấn đồng tâm chính gồm : 
+ Dây quấn hình trụ, dùng cho cả dây quấn hạ áp và cao áp; 
+ Dây quấn hình xoắn, dùng cho dây quấn hạ áp có nhiều sợi chập; 
+ Dây quấn hình xoáy ốc liên tục, dùng cho dây quấn cao áp, tiết 
diện dây dẫn chữ nhật. 
Dây quấn xem kẽ: Các bánh dây cao áp và hạ áp lần lượt xen kẽ 
nhau dọc theo trụ thép 
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
3.3. Vỏ MBA 
Thùng MBA: Trong thùng MBA (hình 1-5) đặt lõi thép, dây quấn và 
dầu biến áp. Dầu biến áp làm nhiệm vụ tăng cường cách điện và 
tản nhiệt. Lúc MBA làm việc, một phần năng lượng tiêu hao thoát 
ra dưới dạng nhiệt làm dây quấn, lõi thép và các bộ phận khác 
nóng lên. Nhờ sự đối lưu trong dầu và truyền nhiệt từ các bộ 
phận bên trong MBA sang dầu và từ dầu qua vách thùng ra môi 
trường xung quanh 
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
Nắp thùng MBA : Dùng để đậy trên thùng và trên đó có các bộ 
phận quan trọng như: 
+ Sứ ra (cách điện) của dây quấn cao áp và dây quấn hạ áp. 
+ Bình dãn dầu (bình dầu phụ) có ống thủy tinh để xem mức dầu 
+ Ống bảo hiểm : làm bằng thép, hình trụ nghiêng, một đầu nối 
với thùng, một đầu bịt bằng một đĩa thuỷ tinh. Nếu áp suất trong 
thùng tăng lên đột ngột, đĩa thuỷ tinh sẽ vỡ, dầu theo đó thoát ra 
ngoài để MBA không bị hỏng. 
+ Lỗ nhỏ đặt nhiệt kế. 
+ Rơle hơi dùng để bảo vệ MBA. 
+ Bộ truyền động cầu dao đổi nối các đầu điều chỉnh điện áp của 
dây quấn cao áp. 
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
4. CÁC ĐẠI LƯƠNG ĐỊNH MỨC CỦA MBA 
Các đại lượng định mức qui định điều kiện kỹ thuật của máy do nhà 
máy chế tạo qui định và ghi trên nhãn của MBA. 
 1. Dung lượng (công suất định mức) Sđm (VA hay kVA) là công 
suất toàn phần hay biểu kiến đưa ra ở dây quấn thứ cấp của MBA. 
 2. Điện áp dây sơ cấp định mức U1đm (V, kV) là điện áp của dây 
quấn sơ cấp 
 3. Điện áp dây thứ cấp định mức U2đm (V hay kV) là điện áp của 
dây quấn thứ cấp khi MBA không tải và điện áp đặt vào dây quấn 
sơ là định mức U1 = U1đm. 
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
4. Dòng điện dây sơ cấp định mức I1đm (A hay kA) và thứ cấp định mức 
I2đm là những dòng điện dây của dây quấn sơ cấp và thứ cấp ứng với 
công suất và điện áp định mức. 
Đối với MBA một pha: 
Đối với MBA ba pha: 
5. Tần số định mức fđm(Hz), MBA điện lực có tần số công nghiệp 50Hz. 
Ngoài ra trên nhãn MBA còn ghi các số liệu khác: tần số, số pha m, sơ 
đồ và tổ nối dây 
đm2
đm
đm2
đm1
đm
đm1
U
S
I;
U
S
I 
đm2
đm
đm2
đm1
đm
đm1
U3
S
I;
U3
S
I 
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
5. TỔ NỐI DÂY MÁY BIẾN ÁP 
5.1. Cách ký hiệu các đầu dây 
Một cuộn dây có hai đầu tận cùng: một đầu gọi là đầu đầu; còn 
đầu kia gọi là đầu cuối. Đối với dây quấn mba một pha: đầu đầu 
hoặc đầu cuối chọn tùy ý. 
Đối với dây quấn mba ba pha : các đầu đầu và đầu cuối chọn 
một cách thống nhất theo một chiều nhất định, nếu không điện áp 
ra của ba pha sẽ không đối xứng. 
Để đơn giản và thuận tiện cho việc nghiên cứu, người ta thường 
đánh dấu các đầu tận cùng lên sơ đồ dây quấn của mba với qui 
ước sau dây : 
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
Đánh dấu các đầu dây tận cùng: 
 Cao áp Hạ áp Trung áp 
Đầu đầu A,B,C a,b,c Am,Bm,Cm 
Đầu cuối X,Y,Z x.y,z Xm,Ym,Zm 
Trung tính O o Om 
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
5.2. Các kiểu đấu dây quấn 
Đấu hình sao (Y) : Đấu ba 
điểm cuối X,Y,Z lại với nhau 
Đấu hình tam giác (Δ) : Đấu 
điểm đầu của pha này với 
điểm cuối của pha kia 
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
Đấu zíc-zắc (Z) : Mỗi pha dây 
quấn mba gồm hai nửa cuộn 
dây trên hai trụ khác nhau mắc 
nối tiếp và đấu ngược chiều 
nhau. 
Kiểu dây quấn này ít dùng vì 
tốn đồng nhiều hơn, loại này 
chủ yếu gặp trong mba dùng 
cho thiết chỉnh lưu. 
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
5.3. Tổ nối dây của mba 
Tổ nối dây mba được hình thành do sự phối hợp kiểu dây quấn 
sơ cấp so với kiểu dây quấn thứ cấp. Nó biểu thị góc lệch pha 
giữa sđđ dây của dây quấn sơ cấp và sđđ dây của dây quấn thứ 
cấp và góc lệch pha này phụ thuộc vào các yếu tố sau : 
 + Chiều quấn dây, 
 + Cách ký hiệu các dầu dây ra, 
 + Kiểu dấu dây quấn sơ cấp và thứ cấp 
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
Xét mba một pha có hai dây quấn: sơ cấp – AX; thứ cấp – ax. Các 
trường hợp xảy ra như sau : 
a) Hai dây quấn cùng chiều và kí hiệu tương ứng 
b) Hai dây quấn ngược chiều 
c) Đổi chiều kí hiệu một trong hai dây quấn. 
Tổ nối dây của mba một pha : kể từ vector sđđ sơ cấp đến vector 
sđđ thứ cấp theo chiều kim đồng hồ. 
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
Tổ nối dây của mba ba pha : Ở mba ba pha, do nối Y & Δ với những 
thứ tự khác nhau mà góc lệch pha giữa sđđ dây sơ cấp và sđđ dây 
thứ cấp là 30o, 60o, 90o, .., 360o. 
Thực tế không dùng độ để chỉ góc lệch pha mà dùng kim đồng hồ để 
biểu thị và gọi tên tổ nối dây mba, cách biểu thị như sau 
+ Kim dài cố định ở con số 12, chỉ sđđ sơ cấp. 
+ Kim ngắn chỉ 1,2,.., 12 ứng 30o,60o,..,360o chỉ sđđ thứ cấp 
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
Máy biến áp ba pha nối Y/Y: 
Ví dụ: mba ba pha có dây quấn sơ cấp và thứ cấp nối sao, cùng chiều 
quấn dây và cùng ký hiệu đầu dây thì vector sđđ pha giữa hai dây 
quấn hoàn toàn trùng nhau, góc lệch pha giữa hai điện áp dây sẽ bằng 
360o hay 0o. Mba thuộc tổ nối dây 12 và ký hiệu là Y/Y-12 hay Y/Y-0. 
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
Để nguyên dây quấn sơ, dịch ký hiệu dây quấn thứ a→b, b→c, c→a 
ta có tổ đấu dây Y/Y-4, dịch tiếp một lần nữa ta có tổ đấu dây Y/Y-8. 
Nếu đổi chiều dây quấn thứ ta có tổ đấu dây Y/Y-6,10,2. Như vậy 
mba khi nối Y/Y, ta có tổ nối dây là số chẵn. 
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
Mba ba pha nối Y/Δ : 
 Ví dụ: mba ba pha có dây quấn sơ cấp nối sao và thứ cấp nối tam 
giác, cùng chiều quấn dây và ký hiệu các đầu dây thì vector sđđ pha 
giữa hai dây quấn hoàn toàn trùng nhau và góc lệch pha giữa hai điện 
áp dây sẽ bằng 330o. Mba thuộc tổ nối dây 11 và ký hiệu là Y/Δ-11. 
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
Để nguyên dây quấn sơ cấp, dịch kí hiệu dây quấn thứ a→b, b→c, 
c→ a thì ta có tổ đấu dây Y/Δ-3, dịch tiếp một lần nữa ta có tổ đấu 
dây Y/Δ-7. Nếu đổi chiều dây quấn thứ ta có tổ đấu dây Y/Δ-5,9,1. 
Như vậy mba khi nối Y/Δ, ta có tổ nối dây là số lẻ. 
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
6. MẠCH TỪ MÁY BIẾN ÁP 
6.1. Các dạng mạch từ máy biến áp 
Máy biến áp một pha 
 + Mạch từ kiểu lõi 
 + Mạch từ kiểu bọc 
Máy biến áp ba pha 
 + Hệ thống mạch từ riêng: Từ thông ba pha độc lập 
(thường gặp tổ mba ba pha từ ba mba một pha giống nhau). 
 + Hệ thống mạch từ chung: Từ thông ba pha liên 
quan nhau (mba ba pha ba trụ) 
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
Hệ thống mạch từ chung: 
0UUU CBA 
0CBA    
Như vậy các trụ ghép chung có từ thông tổng bằng không, nên 
bỏ trụ ghép chung và đưa ba trụ về cùng mặt phẳng → kết cấu 
lõi thép mba không đối xứng, trụ giữa ngắn hơn hai trụ hai bên 
nên dòng từ hóa của ba pha cũng không đối xứng 
OBOCOA I)45,12,1(II  
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
6.2. Những hiện tượng xuất hiện khi từ hóa lõi thép MBA 
Xét trường hợp MBA không tải 
a. Mba một pha 
Điện áp u có dạng: 
Bỏ qua điện áp rơi trên dây quấn: 
Từ thông trong lõi thép có dạng: 
tsinUu m  
dt
d
Neu

)2/tsin(m  
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
Không xét tổn hao trong lõi thép: 
Dòng io ≈ iox, nghĩa là dòng từ hóa gần bằng dòng phản kháng. 
Ta có quan hệ Φ = f(io) cũng chính là quan hệ B = f(H). 
Từ quan hệ Φ = f(io) và Φ = f(t) ta vẽ được io = f(t). 
+ Từ thông Φ(t) có dạng 
hình sin 
+ Dòng điện io(t) có dạng 
nhọn dầu (không sin) 
+ Φ(t) và io(t) trùng pha nhau 
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
Dòng io(t) không sin, ta phân tích thành tổng sóng hình sin: 
...iiii)t(i 070503010 
+ io1 – sóng cơ bản (sóng bậc 1) 
+ io3,5,7.. – các sóng bậc cao. Sóng bậc 5 trở lên có biên độ nhỏ, 
ta bỏ qua. 
Như vậy chính dòng điện bậc ba io3 làm dòng io có dạng nhọn 
đầu. Thực chất dòng io có dạng nhọn đầu là do hiện tượng bão 
hòa trong lõi thép 
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
Có kể đến tổn hao trong lõi thép 
Quan hệ Φ = f(io) cũng chính là quan hệ đường cong từ trễ B = f(H). 
Từ quan hệ F = f(io) và F = f(t) ta dùng phương pháp vẽ để tìm được 
quan hệ io = f(t) 
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
Hình bên biểu diễn vectơ dòng điện I0 và từ 
thông Φm khi có kể đến tổn hao trong lõi 
thép. Vì dòng điện i0 không sin nên chỉ vẽ 
gần đúng với thành phần bậc 1. 
Dòng điện không tải I0 gồm hai thành phần: 
+ Iox : thành phần dòng điện phản kháng để 
từ hóa lõi thép. 
2
x0
2
r00 III 
Thực tế I0r < 10%I0 , nghĩa là góc α thường rất bé, nên dòng điện I0r 
không ảnh hưởng mấy đến dòng điện từ hoá và ta coi như I0x ≈ I0 . 
+ Ior : thành phần dòng điện tác dụng, vuông góc với Φ. 
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
b. Mba ba pha 
Khi mba không tải và xét từng pha thì dòng điện bậc ba trong các pha: 
Từ các phương trình trên ta thấy, ba pha trùng nhau về thời gian, nghĩa 
là ở mọi thời điểm chiều dòng điện bậc ba trong các pha hoặc hướng 
từ đầu đến cuối hoặc hướng từ cuối đến đầu, tức là luôn luôn tồn tại. 
t3sinII m3.0A3.0  
t3sinI)120t(3sinII m3.0
o
m3.0B3.0   
t3sinI)240t(3sinII m3.0
o
m3.0C3.0   
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
Trường hợp mba nối Y/Y 
Sơ cấp đấu Y nên dòng i0.3 không tồn 
tại, dòng i0 sẽ có dạng sin và từ thông 
Φ do nó sinh ra sẽ có dạng vạt đầu. 
Phân tích từ thông Φ trong lõi thép 
thành sóng cơ bản và sóng bậc cao: 
Các sóng Φ5,7.. nhỏ, nên có thể bỏ 
qua, chỉ xét Φ1 và Φ3. 
...531    
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
Trường hợp tổ mba ba pha (Mba ba pha 5 trụ): 
Loại này mạch từ riêng, nên Φ3 tồn tại và khép mạch qua lõi thép, 
do vậy Φ3 tương đối lớn, sđđ e3 do từ thông này sinh ra cũng lớn 
(E3f = (45-60)% E1f) làm cho sđđ pha tăng. Còn sđđ Ud không có 
thành phần e3. 
Hại: 
 + Chọc thủng cách điện dây quấn 
 + Hư thiết bị đo lường. 
 + Ảnh hưởng đường dây thông tin 
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
Mba ba pha ba trụ 
Hệ thống mạch từ chung, nên Φ3 cùng 
chiều. Ở mọi thời điểm từ thông Φ3 
không khép mạch qua mạch từ trụ mà 
bị đẩy ra ngoài, và khép mạch qua môi 
trường có từ trở lớn, nên Φ3 không lớn 
lắm, như vậy xem từ thông trong mạch 
từ là sin, và sđđ cảm ứng ra Ef sẽ có 
dạng sin. 
Chú ý : Φ3 khép mạch qua gông và vách thùng làm tăng tổn hao 
nên hiệu suất của máy giảm. 
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
Trường hợp mba nối Δ/Y 
Dây quấn sơ cấp nối Δ nên dòng io3 sẽ khép kín trong tam giác, vì 
vậy dòng io sẽ có dạng nhọn đầu. Giống mba một pha. 
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 
Trường hợp mba nối Y/Δ 
Dây quấn sơ cấp đấu Y nên dòng io3 không tồn tại, dòng io sẽ có 
dạng sin và từ thông Φ do nó sinh ra sẽ có dạng vạt đầu. Kết luận 
giống trường hợp a. Thành phần từ thông bậc ba Φ3 cảm ứng 
trong dây quấn thứ cấp sđđ e23, do dây quấn thứ cấp nối Δ nên 
sinh ra dòng i23 chạy trong dây quấn, dòng điện nầy sinh ra trong 
lõi thép từ thông Φ23 và ta có từ thông tổng bậc ba gần bằng 
không, nên ảnh hưởng này không đáng kể