Quan hệ điện từ trong máy biến áp

1. Các phương trình cân bằng của máy biến áp

1.1. Phương trình cân bằng điện áp

Xét mba một pha hai dây quấn, trong đó sơ cấp nối với nguồn, có số vòng N1, thứ cấp nối với tải có tổng trở Zt, có số vòng N2.

Đặt điện áp u1 vào sơ cấp, trong dây quấn có dòng điện i1. Nếu phía thứ cấp có tải thì trong dây quấn sẽ có dòng điện i2.

Các dòng điện i1 và i2 tạo nên các sức từ động sơ cấp i1N1 và thứ cấp i2N2.

Hình 1.Từ thông trong MBA khi không tải và có tải

Phần lớn từ thông do hai sức từ động sinh ra được khép mạch qua lõi thép móc vòng với cả dây quấn sơ cấp và thứ cấp hình thành nên từ thông chính Φ, gây nên trong các dây quấn sức điện động e1 và e2 như sau :

1.1.1. Phương trình cân bằng điện áp dây quấn sơ cấp

1.1.2. Phương trình cân bằng điện áp dây quấn thứ cấp

1.2.3. Phương trình cân bằng dòng điện

Khi MBA làm việc không tải (i2=0): dòng điện trong dây quấn sơ cấp là i0, từ thông chính lúc này do stđ i0N1 sinh ra.

Khi MBA có tải (i2≠0): từ thông chính lúc này do stđ trên 2 cuộn dây sinh ra (i1N1+i2N2).

Dòng điện sơ cấp I1 gồm hai thành phần: Thành phần không đổi I0 tạo ra từ thông chính Φ trong lõi thép, thành phần I2’ dùng để bù lại dòng điện thứ cấp, tức là cung cấp cho tải.

Khi tải tăng thì dòng điện I2 tăng, nên I2’ tăng và dòng điện I1 cũng tăng lên.

Dòng điện từ hóa trong máy biến áp:

Tuy nhiên do quan hệ B(H) trong mạch từ là không tuyến tính, có đoạn từ hóa lõi thép và có hiện tượng tổn hao do từ trễ. Do đó,i0(t) bị lệch pha so với Φ một góc α nào đó, góc α lớn hay bé tùy thuộc vào mức độ từ hóa của lõi thép.

Như vậy, dòng điện I0 bao gồm 2 thành phần:

  • I0x – Dùng để từ hóa lõi thép và tạo nên từ thông cùng chiều với từ thông chính.
  • I0r – Gây nên tổn hao sắt từ trong lõi thép và vuông góc với thành phần từ thông.

2. Mạch điện thay thế của máy biến áp

Để tính toán các quá trình năng lượng xảy ra trong máy biến áp, người ta thay mạch điện và mạch từ của máy biến áp bằng một mạch điện tương đương gồm các điện trở và điện kháng đặc trưng cho máy biến áp gọi là sơ đồ tương đương của MBA.

Hình 2. Sơ đồ tương đương của MBA

Để nối trực tiếp mạch sơ cấp và thứ cấp, các dây quấn phải có cùng một cấp điện áp. Tuy nhiên, trong thực tế, điện áp của các dây quấn khác nhau. Do đó phải quy đổi một trong hai dây quấn về dây quấn kia để cho chúng có cùng một cấp điện áp (số vòng dây như nhau).

Thông thường ta sẽ quy đổi dây quấn thứ cấp về sơ cấp. Việc quy đổi chỉ để thuận tiện cho việc nghiên cứu và tính toán MBA, vì vậy yêu cầu của việc quy đổi là quá trình vật lý và năng lượng xảy ra trong máy MBA trước và sau khi quy đổi là không đổi.

2.1. Quy đổi các đại lượng

2.2. Sơ đồ tương đương của máy biến áp

Dựa vào hệ phương trình quy đổi ta suy ra một mạch điện tương ứng gọi là mạch điện tương đương của MBA.

Hình 3. Sơ đồ tương đương chính xác của MBA.

Hình 4. Sơ đồ tương đương gần đúng của máy biến áp