Các ứng dụng của máy biến áp với nhóm đấu nối D/Y

Trong máy biến áp ba pha, một phía của cuộn sơ cấp hoặc thứ cấp luôn được đấu nối hình tam giác (delta). Điều này nhằm tránh sự xuất hiện của các thành phần sóng hài bậc ba trong từ thông chính, từ đó giảm dòng điện xoáy và hiện tượng phát nóng cục bộ, đồng thời nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của máy biến áp. Để hiểu nguyên lý, trước tiên chúng ta cần nắm vững kiến thức cơ bản về máy biến áp ba pha.

1. Có hai loại máy biến áp ba pha:

Một là máy biến áp ba pha kiểu tổ (Hình 1):

Loại còn lại là máy biến áp ba pha kiểu trụ (Hình 2):

Máy biến áp ba pha kiểu tổ được tạo thành từ ba máy biến áp một pha ghép nối với nhau bằng các cuộn dây để tạo thành máy biến áp ba pha. Đặc điểm của nó là mạch từ ba pha độc lập, và từ thông sóng hài bậc ba có thể lưu thông. Các máy biến áp ba pha lớn hiếm khi sử dụng loại máy biến áp tổ này, vì vậy sẽ không được thảo luận thêm.

Các máy biến áp lực lớn thường là máy biến áp ba pha kiểu trụ. Đặc điểm của chúng là mạch từ ba pha được kết nối với nhau. Đối với mạch từ của lõi sắt ba trụ, không có đường đi trực tiếp cho từ thông sóng hài bậc ba. Do đó, từ thông sóng hài bậc ba chỉ có thể tạo thành vòng kín thông qua mạch từ tản, chẳng hạn như vỏ máy biến áp. Vỏ máy biến áp thường được làm bằng thép tấm, và sự hiện diện của từ thông sóng hài bậc ba sẽ gây ra hiện tượng phát nóng nghiêm trọng.

Đường đi của mạch từ sóng hài bậc ba trong máy biến áp ba pha kiểu trụ (Hình 3)

2. Dạng sóng của điện áp (điện thế), dòng điện kích từ và từ thông dưới các cấu trúc mạch từ và mạch điện khác nhau.

2.1 Dòng điện kích từ hình sin tạo ra từ thông dạng đỉnh phẳng (Hình 4).

Khi lõi bão hòa: khi từ thông là sóng đỉnh phẳng, dòng điện từ hóa là sóng hình sin.

2.2 Dòng điện kích từ dạng đỉnh nhọn tạo ra từ thông hình sin (Hình 5).

Dạng sóng dòng điện kích từ không tải.

2.3 Cả sóng đỉnh phẳng và sóng đỉnh nhọn đều có thể được phân tích thành sóng cơ bản và sóng hài bậc ba (Hình 6).

Dạng sóng sức điện động không tải của máy biến áp ba pha. Khi mạch từ bão hòa, để có được từ thông hình sin, dòng điện kích từ phải là sóng đỉnh nhọn.

Khi mạch từ bão hòa, nếu dòng điện kích từ là sóng hình sin, từ thông chính sẽ là sóng đỉnh phẳng.

3. Sau khi hiểu các kiến thức cơ bản trên, chúng ta sẽ tiến hành phân tích. Nếu cả phía sơ cấp và thứ cấp đều đấu sao (Y), không có đường đi cho sóng hài bậc ba của dòng điện. Do đó, trong kết nối Y/Y, dòng điện kích từ chỉ có thể là dòng điện hình sin. Dòng điện kích từ hình sin này chỉ có thể tạo ra từ thông đỉnh phẳng, có thể được phân tích thành từ thông cơ bản và từ thông sóng hài bậc ba.

Các từ thông sóng hài bậc ba này trong từ trường chính có cùng độ lớn và pha. Chúng không thể khép kín qua lõi và chỉ có thể tạo thành vòng trong mạch từ tản, chẳng hạn như trong dầu, vách thùng và gông từ, tạo ra dòng điện xoáy, gây phát nóng cục bộ và giảm hiệu suất máy biến áp.

Do đó, máy biến áp ba pha công suất lớn và điện áp cao không phù hợp với kết nối Y/Y.

Ngược lại, khi các cuộn dây được đấu nối theo cấu hình tam giác/sao (Δ/Y) hoặc sao/tam giác (Y/Δ), một đường vòng kín được cung cấp cho thành phần sóng hài bậc ba của dòng điện kích từ trong kết nối tam giác ở phía sơ cấp hoặc thứ cấp. Do đó, dòng điện kích từ trong cuộn dây đấu tam giác là sóng đỉnh nhọn. Dòng điện đỉnh nhọn giữ cho từ thông chính là hình sin mà không có thành phần sóng hài bậc ba.

Đặc biệt, khi các cuộn dây được đấu nối theo cấu hình Y/Δ, mặc dù sóng hài bậc ba trong dòng điện kích từ phía sơ cấp không thể đi qua, một dòng điện tuần hoàn sóng hài bậc ba được tạo ra trong kết nối tam giác phía thứ cấp. Dòng điện tuần hoàn này, cùng với dòng điện kích từ hình sin phía sơ cấp, đảm bảo từ thông chính là hình sin, do đó tránh được hiện tượng phát nóng cục bộ do dòng điện xoáy sóng hài bậc ba.

Tóm lại, cuộn dây sơ cấp hoặc thứ cấp của máy biến áp ba pha được đấu nối hình tam giác để đảm bảo từ thông chính càng gần với dạng sóng hình sin càng tốt, tránh các vấn đề về dòng điện xoáy và phát nóng do sóng hài bậc ba, từ đó nâng cao hiệu suất vận hành và độ tin cậy của máy biến áp.