Máy biến áp ba pha được sử dụng rộng rãi trong việc sản xuất và truyền tải điện trên quãng đường dài, chủ yếu phục vụ nhu cầu công nghiệp và thương mại. Để điều chỉnh mức điện áp trong các hệ thống này, người ta sử dụng máy biến áp ba pha, vì chúng cho phép các cấu hình cuộn dây khác nhau nhằm tăng hoặc giảm điện áp.
Trước đây, chúng ta đã tìm hiểu về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy biến áp một pha hai cuộn dây, loại máy biến áp này cũng có khả năng điều chỉnh mức điện áp thứ cấp so với điện áp nguồn sơ cấp.
Tuy nhiên, máy biến áp không chỉ giới hạn trong các ứng dụng một pha. Chúng có thể được thiết kế cho các hệ thống hai pha, ba pha, sáu pha hoặc thậm chí phức tạp hơn, với số pha lên tới 24 trong các trường hợp chỉnh lưu DC công suất cao chuyên dụng.
Bằng cách nối các cuộn dây sơ cấp của ba máy biến áp một pha với nhau và thực hiện tương tự đối với các cuộn dây thứ cấp của chúng theo một sơ đồ cụ thể, hệ thống này trở nên phù hợp để sử dụng với nguồn điện ba pha.
Nguồn điện ba pha — được ký hiệu là 3-phase hoặc 3φ — đóng vai trò thiết yếu trong các lĩnh vực sản xuất, truyền tải, phân phối điện và các ứng dụng công nghiệp. So với hệ thống một pha, chúng mang lại những lợi thế đáng kể về hiệu suất và khả năng hoạt động điện.
Tuy nhiên, khi làm việc với máy biến áp ba pha, điều quan trọng là phải tính đến ba điện áp và dòng điện xoay chiều có sự lệch pha 120 độ so với nhau.
Trong hệ thống điện ba pha, điện áp giữa các pha (VL) biểu thị điện áp giữa bất kỳ hai pha nào, trong khi điện áp pha-trung tính (Phó chủ tịch) là điện áp được đo giữa một pha và điểm trung tính. Mối quan hệ giữa các điện áp này trong mạch nối sao được biểu thị bằng công thức VL=√(3) ×Phó chủ tịch.
Một máy biến áp không thể chuyển đổi nguồn điện một pha thành nguồn điện ba pha hoặc ngược lại. Để máy biến áp tương thích với hệ thống ba pha, các cuộn dây của nó phải được kết nối theo các sơ đồ cụ thể để tạo thành một hệ thống máy biến áp ba pha.
Cấu tạo của máy biến áp ba pha
Một máy biến áp ba pha có thể được chế tạo theo hai cách:
Thiết kế dạng khối đơn mang lại những lợi thế như kích thước, trọng lượng và chi phí thấp hơn, đồng thời nâng cao hiệu suất so với việc sử dụng ba máy biến áp riêng lẻ ở cùng mức công suất kVA. Tuy nhiên, việc sử dụng các máy biến áp riêng lẻ lại mang lại tính linh hoạt và độ tin cậy cao, vì có thể thay thế một máy biến áp mà không ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống.
Cấu hình cuộn dây
Các cuộn dây của máy biến áp ba pha có thể được kết nối theo nhiều sơ đồ khác nhau để đáp ứng các yêu cầu điện khác nhau:
Các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp có thể được bố trí theo các sơ đồ như sao-sao, tam giác-tam giác, sao-tam giác hoặc tam giác-sao. Mỗi sơ đồ có những ứng dụng cụ thể riêng:
Khi máy biến áp cung cấp ba pha trở lên, chúng được gọi là máy biến áp đa pha. Cấu hình này mang lại sự linh hoạt về mức điện áp và đảm bảo khả năng tương thích với các hệ thống điện khác nhau.
Trong các hệ thống biến áp ba pha, các thuật ngữ “sao” (hay wye) và “tam giác” (hay mesh) dùng để chỉ các cách kết nối cụ thể giữa các cuộn dây của biến áp. Các cấu hình này ảnh hưởng đến mức điện áp, dòng điện và việc nối đất của hệ thống.
Kết nối Star (Wye)
Kết nối Delta (Mesh)
Ghi nhãn và dán nhãn
Dòng từ và pha
Các kết hợp kết nối
Các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp có thể được bố trí theo nhiều cách kết hợp khác nhau:
Các cấu hình này giúp máy biến áp ba pha thích ứng với các yêu cầu điện đa dạng đồng thời đảm bảo việc phân phối điện hiệu quả.
Cấu hình sao và tam giác của máy biến áp
Trong máy biến áp ba pha, người ta sử dụng các ký hiệu cụ thể để chỉ các loại kết nối được áp dụng cho cả cuộn dây sơ cấp và thứ cấp.
Biểu tượng kết nối
Ví dụ về việc dán nhãn
Các ký hiệu này cung cấp một phương pháp rõ ràng và súc tích để xác định cấu hình của máy biến áp ba pha, giúp việc trao đổi và hiểu biết giữa các kỹ sư và kỹ thuật viên tại hiện trường trở nên dễ dàng hơn.
| Kết nối | Cuộn dây chính | Cuộn dây thứ cấp |
| Delta | D | d |
| Ngôi sao | Y | y |
| Liên kết với nhau | Z | z |
Bốn cách kết nối tiêu chuẩn cho ba máy biến áp ba pha trong một hệ thống ba pha là:
Delta-Delta (Dd)
Star-Star (Yy)
Star-Delta (Y-Δ)
Delta-Star (Dy)
Những yếu tố cần lưu ý
Lợi ích của cấu hình sao:
Ưu điểm của cấu hình Delta:
Các cấu hình này mang lại sự linh hoạt trong thiết kế hệ thống điện, giúp các kỹ sư có thể lựa chọn phương án phù hợp nhất dựa trên mức điện áp, đặc tính tải và yêu cầu của hệ thống.
Cấu hình Delta-Delta (Dd)
Trong một nhóm máy biến áp nối delta:
Những nhược điểm của Delta Connection:
Cấu hình Star-Star (Yy)
Trong cấu trúc sao-sao:
Các đặc điểm của Star Connection:
Ưu điểm của kết nối sao:
So sánh
| Khía cạnh | Delta (Dd) | Ngôi sao (Yy) |
|---|---|---|
| Điện áp | Điện áp đường dây đầy đủ | 57,71 TP3T điện áp đường dây |
| Hiện tại | 57,71 TP3T dòng điện trên đường dây | Dòng điện toàn phần |
| Trung lập | Không có sẵn | Còn hàng |
| Tác động của sự cố | Có thể hoạt động ở 2/3 công suất | Toàn bộ nhóm có thể bị trượt |
| Kích thước cuộn dây | Lớn hơn | Nhỏ hơn |
| Chi phí | Cao hơn | Thấp hơn |
| Đơn đăng ký | Tải trọng công nghiệp, không cân bằng | Phân phối điện, cân bằng tải |
Việc lựa chọn giữa cấu hình delta và cấu hình sao phụ thuộc vào các yêu cầu cụ thể của hệ thống, mức điện áp và đặc tính tải. Mỗi loại đều có những ưu điểm riêng trong các tình huống khác nhau, khiến chúng phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau trong các hệ thống điện.
Điện áp giữa bất kỳ hai pha nào của máy biến áp ba pha được gọi là “điện áp pha”, VL, trong khi điện áp giữa bất kỳ pha nào và điểm trung tính của một máy biến áp nối sao được gọi là “điện áp pha”, VP.
Điện áp pha giữa điểm trung tính và bất kỳ điểm nối dây nào là 1/√3 × VL của điện áp đường dây. Sau đó, từ phía trên, điện áp pha phía sơ cấp, VP được trình bày như sau.
Nếu dòng điện thứ cấp trong mỗi pha của một nhóm máy biến áp nối sao bằng với dòng điện đường dây của nguồn cấp, thì tôiL = TôiS.
Như vậy, mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện đường dây và pha trong hệ thống ba pha có thể được tóm tắt như sau:
| Kết nối | Điện áp pha | Điện áp đường dây | Dòng điện pha | Dòng điện |
| Ngôi sao | VP = VL ÷ √3 | VL = √3 × VP | IP = TôiL | IL = TôiP |
| Delta | VP = VL | VL = VP | IP = TôiL ÷ √3 | IL = √3 × IP |
Trong các hệ thống biến áp ba pha, VL biểu thị điện áp giữa hai pha, trong khi Phó chủ tịch biểu thị điện áp pha-trung tính ở phía sơ cấp hoặc phía thứ cấp.
Các cách đấu nối bổ sung cho máy biến áp ba pha
Máy biến áp Delta-star (Dy) thường được sử dụng trong các hệ thống phân phối điện công suất thấp. Chúng mang lại hai lợi ích chính:
Độ phức tạp của hệ số biến đổi
Tỷ số vòng dây tổng thể sẽ trở nên phức tạp hơn khi cuộn dây sơ cấp và thứ cấp có các kiểu kết nối khác nhau (sao hoặc tam giác). Đối với các cấu hình tam giác-tam giác (Dd) hoặc sao-sao (Yy), có thể đạt được tỷ số vòng dây 1:1, nghĩa là điện áp cuộn dây đầu vào và đầu ra bằng nhau.
Phân tích cấu hình Star-Delta (Y-Δ)
Trong mạch nối sao-tam giác (Yd):
Đặc tính độc đáo này của máy biến áp sao-tam giác cho phép biến đổi điện áp mà không cần thay đổi số vòng dây, khiến chúng trở nên hữu ích trong các ứng dụng phân phối điện cụ thể.
Đối với máy biến áp nối sao-tam giác (Yd), tỷ số vòng dây sẽ là:
Tương tự, đối với một máy biến áp nối delta-star (Dy) có tỷ số vòng dây là 1:1, máy biến áp này sẽ cung cấp tỷ số tăng áp đường dây là 1:√3. Do đó, đối với máy biến áp nối delta-star, tỷ số vòng dây sẽ là:
Dưới đây là bảng liệt kê các giá trị điện áp và dòng điện thứ cấp cho bốn cấu hình cơ bản của máy biến áp ba pha, tùy thuộc vào điện áp đường dây sơ cấp (VL)VL) và dòng điện trên đường dây chính (IL):
| Cấu hình | Điện áp đường dây thứ cấp | Dòng điện đường dây thứ cấp |
|---|---|---|
| Delta-Delta | n×VLn×VL | IL/nIL/n |
| Delta-Star | 3×n×VL3×n×VL | IL/(3×n)IL/(3×n) |
| Star-Delta | n × VL/3n×VL/3 | 3×IL/n3×IL/n |
| Ngôi sao-Ngôi sao | n×VLn×VL | IL/nIL/n |
Địa điểm:
Bảng này tóm tắt cách các cấu hình khác nhau ảnh hưởng đến mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện giữa phía sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp ba pha.
Trong đó: n là “tỷ số vòng cuộn” (T.R.) của máy biến áp, tức là số vòng cuộn thứ cấp NS, chia cho số vòng dây sơ cấp NP. ( NS/NP ) và VL là điện áp giữa hai pha với VP là điện áp giữa pha và trung tính.
Đối với một máy biến áp nối sao-tam giác (Dy) có các thông số kỹ thuật đã cho, ta có thể tính toán điện áp và dòng điện ở phía thứ cấp như sau:
Tỷ số biến đổi
Tỷ số vòng quay (n) được tính như sau:
n = Số vòng dây thứ cấp / Số vòng dây chính
n = 100 / 500 = 0,2
Điện áp đường dây thứ cấp
Đối với máy biến áp kiểu delta-star, điện áp đường dây thứ cấp được tính theo công thức:
Điện áp đường dây thứ cấp = √3 × n × Điện áp đường dây sơ cấp
Điện áp đường dây thứ cấp = √3 × 0,2 × 100 V
Điện áp đường dây thứ cấp ≈ 34,64 V
Dòng điện đường dây thứ cấp
Dòng điện ở phía thứ cấp có thể được tính toán dựa trên thông số kỹ thuật của máy biến áp:
Dòng điện phía thứ cấp = Công suất định mức của máy biến áp / Điện áp phía thứ cấp
Dòng điện đường thứ cấp = 50 VA / 34,64 V
Dòng điện trên đường dây thứ cấp ≈ 1,44 A
Điện áp pha thứ cấp
Trong mạch thứ cấp nối sao, điện áp pha là:
Điện áp pha thứ cấp = Điện áp đường dây thứ cấp / √3
Điện áp pha thứ cấp ≈ 34,64 V / √3 ≈ 20 V
Dòng điện giai đoạn thứ cấp
Trong mạng phân phối kết nối sao, dòng điện pha bằng dòng điện đường dây:
Dòng điện pha thứ cấp ≈ 1,44 A
Do đó, đối với máy biến áp 50 VA nối theo sơ đồ delta-star (Dy) này:
Sau đó, phía thứ cấp của máy biến áp cung cấp điện áp đường dây, VLINE khoảng 35 V, tạo ra điện áp pha thứ cấp, VGIAI ĐOẠN 20 V với cường độ dòng điện 0,834 A.
Biến áp ba pha thực chất là sự kết hợp của ba biến áp một pha thành một thiết bị duy nhất, mang lại những lợi thế đáng kể về chi phí, kích thước và trọng lượng. Cách tiếp cận thiết kế này giúp tạo ra một thiết bị nhỏ gọn và hiệu quả hơn các loại máy biến áp. Hãy cùng tìm hiểu các khía cạnh chính trong cấu tạo của máy biến áp ba pha:
Xây dựng cơ bản
Ưu điểm của thiết kế kết hợp
Phân bố dòng từ
Cách bố trí cuộn dây
Việc tích hợp ba máy biến áp một pha thành một đơn vị ba pha đánh dấu một bước tiến quan trọng trong thiết kế máy biến áp, mang lại giải pháp hiệu quả và tiết kiệm hơn cho các hệ thống điện ba pha.
Máy biến áp ba pha kiểu lõi
Thiết kế kiểu lõi ba nhánh là phương pháp phổ biến nhất trong việc chế tạo máy biến áp ba pha. Thiết kế này mang lại một số ưu điểm:
Biến áp loại vỏ năm chân
Mặc dù ít phổ biến hơn, thiết kế máy biến áp loại vỏ năm chân vẫn có những ứng dụng cụ thể:
So sánh
| Khía cạnh | Loại lõi (ba chân) | Loại vỏ (năm cánh) |
|---|---|---|
| Sử dụng phổ biến | Phổ biến nhất | Máy biến áp công suất lớn |
| Kết nối từ tính | Hiệu quả cao | Hiệu quả, nhưng phức tạp hơn |
| Kích thước | Thiết kế nhỏ gọn | Lớn hơn, nhưng có thể ngắn hơn |
| Chi phí | Tiết kiệm hơn | Đắt hơn |
| Phân bố dòng từ | Thống nhất giữa các giai đoạn | Đường dẫn phức tạp hơn |
Việc lựa chọn giữa thiết kế kiểu lõi và kiểu vỏ phụ thuộc vào các yêu cầu cụ thể của ứng dụng, bao gồm công suất định mức, các hạn chế về lắp đặt và các yếu tố kinh tế.
