Máy biến áp 3 pha

1. Khái niệm

Máy biến áp ba pha là một loại thiết bị điện từ tĩnh dùng để truyền tải hoặc phân phối năng lượng, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp này sang cấp điện áp khác với tần số không đổi.

Máy biến áp ba pha đóng vai trò rất quan trọng trong việc truyền tải và phân phối điện năng.

2. Cấu tạo

Kết cấu mạch từ của máy biến áp 3 pha bao gồm 2 loại, dựa vào sự liên quan hay không liên quan giữa 2 mạch từ mà phân ra thành mạch từ riêng và mạch từ chung.

  • Máy biến áp 3 pha mạch từ riêng: từ thông trong mạch từ của 3 pha độc lập nhau như các máy biến áp 1 pha. Các máy biến áp 1 pha có thể được nối lại với nhau để hình thành máy biến áp 3 pha.

Hình 1. MBA 3 pha mạch từ riêng

  • Máy biến áp 3 pha mạch từ chung: có kết cấu gọn, sử dụng khối lượng mạch từ ít hơn so với máy biến áp mạch từ riêng cùng công suất, nhưng việc lắp đặt, sửa chữa phải tiến hành trên toàn bộ máy.

Hình 2. MBA 3 pha mạch từ chung

3. Nguyên lý hoạt động

Máy biến áp 3 pha có nguyên lý hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.

Về cơ bản có thể xem máy biến áp 3 pha bao gồm 3 máy biến áp một pha gộp lại, với nguồn điện cấp vào là 3 pha và dòng điện mỗi pha lệch nhau một góc 120ο. Xét trên một pha, ta có:

  • Đặt điện áp xoay chiều u1 vào dây quấn sơ cấp, trong dây quấn sơ sẽ có dòng i1. Trong lõi thép hình thành nên từ thông Φ móc vòng với cả hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp, cảm ứng ra các sđđ e1 và e2.

  • Nếu máy biến áp được nối với tải, trong dây quấn sẽ xuất hiện dòng điện i2.

Hình 3. MBA khi có tải

  • Nếu máy biến áp không mang tải (thứ cấp hở mạch), thì điện áp thứ cấp bằng sức điện động U2o = e2.

Hình 4. MBA làm việc không tải

  •  Từ thông Φ móc vòng với cả hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp gọi là từ thông chính. Với MBA 3 pha dạng mạch từ chung, nếu lõi thép được bố trí trên cùng một mặt phẳng thì từ thông giữa các pha sẽ không đối xứng. 

4. Các kiểu đấu dây trên máy biến áp 3 pha

Dây quấn máy biến áp có thể được đấu nối theo dạng hình sao (Y ) hoặc có thể theo hình tam giác (∆ hoặc D).

Đấu Y là ba đầu hoặc cuối nối lại với nhau, đấu ∆ là đầu cuộn này đấu vào cuối cuộn dây kia.

Có 4 kiểu đấu dây trên máy biến áp 3 pha:

  • MBA 3 pha đấu ∆ – ∆ : Sử dụng cho điện áp trung bình như trong công nghiệp.

Hình 5. MBA 3 pha đấu ∆ – ∆

Với kiểu đấu này khi một máy biến áp bị hỏng thì hai máy biến áp còn lại có thể được vận hành theo kiểu đấu tam giác hở. Kiểu đấu tam giác hở này vẫn bảo đảm đúng mối quan hệ về pha. Tuy nhiên, lúc này công suất của máy biến áp giảm xuống còn khoảng 58% .

  • MBA 3 pha đấu ∆ – Y: Sử dụng phổ biến trong công nghiệp và thương mại.

Hình 6. MBA 3 pha đấu ∆ – Y

  • MBA 3 pha đấu Y – ∆ : Sử dụng cho việc giảm áp.

Hình 7. MBA 3 pha đấu Y – ∆

  • MBA 3 pha đấu Y – Y: Rất ít được sử dụng vì vấn đề điều hoà và cân bằng.

Hình 8. MBA 3 pha đấu Y – Y

Trong thực tế các máy biến áp truyền tải điện năng thường sử dụng kiểu đấu Y – ∆ là vì:

  • Khi đấu Y: điện áp pha nhỏ hơn điện áp dây √3  lần,do đó các vấn đề cách điện trong máy giảm, chi phí giảm. Các cuộn dây điện áp cao của các máy biến áp hoạt động trên 100 (kV) cũng thường được đấu Y.
  • Khi đấu ∆: dòng Ip < Id lần , do đó đường kính dây dẫn sẽ giảm, thuận tiện cho việc chế tạo.

Ở các máy biến áp phân phối thường phía hạ áp đấu Y để cung cấp cho phụ tải hỗn hợp: vừa cần điện áp dây,vừa cần điện áp pha.

5. Tổ nối dây của máy biến áp ba pha

Tổ nối dây của máy biến áp biểu thị góc lệch pha giữa sức điện động dây sơ cấp và sức điện động dây thứ cấp, phụ thuộc vào các yếu tố: Chiều quấn dây, cách ký hiệu các đầu dây và kiểu đấu dây ở sơ cấp và thứ cấp.

5.1. Chiều quấn dây

Với máy biến áp một pha, việc chọn đầu đầu hay đầu cuối không quan trọng. Tuy nhiên với máy biến áp ba pha, việc đánh dấu đầu đầu và đầu cuối phải thực hiện chính xác để  chiều quấn dây trên ba pha tương tự nhau. Nếu có một pha không cùng chiều thì điện áp đầu ra trên ba pha sẽ mất tính chất đối xứng.

5.2. Ký hiệu các đầu dây

Hình 9. Ký hiệu các đầu dây trên MBA 3 pha

5.3. Xác định tổ nối dây

Bước 1: Vẽ sơ đồ vectơ điện áp của 3 cuộn dây phía sơ cấp (Y hoặc Δ) sao cho vector sức điện động dây bất kỳ chỉ thẳng ở vị trí 12 giờ.

Bước 2: Xác định trọng tâm của sơ đồ phía thứ cấp và tham chiếu vector từ sơ đồ phía thứ cấp:

  • Nếu dây quấn phía sơ cấp và thứ cấp cùng chiều thì vector tham chiếu cùng chiều với vector phía sơ cấp.
  • Nếu dây quấn phía sơ cấp và thứ cấp ngược chiều thì vector tham chiếu ngược chiều với vector phía sơ cấp.

Bước 3: Xác định gốc và chiều của các vector còn lại dựa vào cách đấu dây phía sơ cấp và tham chiếu vector trên sơ đồ phía sơ cấp.

Bước 4: Chọn hai điện áp dây thứ cấp tương ứng tương ứng với phía sơ cấp, đồng thời vẽ  vector sức điện động dây để xác định góc lệch pha.

Bước 5: Đọc góc lệch pha của các sức điện động dây này theo số chỉ đồng hồ. Khi đọc chúng ta nên nhớ qui ước:

  • Kim dài (chỉ phút) tương ứng sức điện động dây phía sơ cấp.
  • Kim ngắn (chỉ giờ) tương ứng sức điện động dây phía thứ cấp.

Ví dụ 1: Tổ nối dây Y/Y – 12.

Hình 10. Xác định tổ nối dây Y/Y – 12

Ví dụ 2: Tổ nối dây Y/Δ – 7.

Hình 11. Xác định tổ nối dây Y/Δ – 7

Ví dụ 3: Tổ nối dây Δ/Δ – 6.

Hình 12. Xác định tổ nối dây Δ/Δ – 6

Ví dụ 4: Tổ nối dây Δ/Y – 11.

Hình 13. Xác định tổ nối dây Δ/Y – 11

Chú ý: Nếu chúng ta đánh dấu các đầu ra của máy biến áp khác đi, sao cho các cuộn tương ứng của các pha không cùng trụ nhưng vẫn giữ nguyên thứ tự theo vòng tròn abc, ta sẽ có tổ đấu dây với góc lệch khác đi.

6. Tỉ số biến áp

Như vậy: đối với máy biến áp 1 pha tỉ số biến áp chỉ phụ thuộc vào tỉ số vòng dây (N1/N2) còn ở máy biến áp 3 pha nó còn phụ thuộc vào tổ nối dây.

Câu hỏi :

Câu 1: xác định các tổ nối dây trong các sơ đồ sau: