- Dây quấn MBA gồm cuộn dây quấn sơ cấp W1 và cuộn thứ cấp W2: Cuộn sơ cấp là cuộn dây được nối với lưới điện để năng lượng điện vào máy; cuộn quấn thứ cấp là cuộn dây đưa năng lượng ra
Định nghĩa và phân loại máy điện
Định nghĩa
Máy điện là thiết bị điện từ hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, nhằm biến đổi năng lượng giữa cơ năng và điện năng Cụ thể, máy phát điện chuyển đổi cơ năng thành điện năng, còn động cơ điện thực hiện ngược lại biến đổi điện năng thành cơ năng Ngoài ra, máy điện còn có chức năng biến đổi các tham số điện như điện áp, dòng điện, tần số và số pha, phục vụ cho nhiều ứng dụng trong hệ thống cung cấp và tiêu thụ điện năng.
Máy điện là máy thường gặp nhiều trong công nghiệp, giao thông vận tải, sản xuất và đời sống.
Phân loại
Máy điện tĩnh, hay máy biến áp, hoạt động dựa vào cảm ứng điện từ do sự biến thiên từ thông liên kết giữa hai cuộn dây cố định, không có chuyển động tương đối Khi dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn sơ cấp, từ thông biến thiên và liên thông qua cuộn thứ cấp sinh ra điện áp và dòng điện ở mạch tải theo định luật cảm ứng Hiệu điện thế giữa hai cuộn phụ thuộc vào tỉ lệ số vòng giữa sơ cấp và thứ cấp, cho phép tăng hoặc giảm điện áp đồng thời giữ điện cách ly giữa nguồn và tải Nguyên lý này là nền tảng của phân phối điện và các ứng dụng truyền tải điện năng, với vai trò trọng yếu của máy biến áp trong hệ thống điện hiện đại.
Máy điện tĩnh thường được dùng để biến đổi thông số điện năng trong hệ thống điện Do tính chất thuận nghịch của các quy luật cảm ứng điện từ, quá trình biến đổi có thể diễn ra theo hướng ngược lại: ví dụ máy biến áp biến đổi hệ thống điện có thông số U1, f thành hệ thống điện có thông số U2, f, hoặc ngược lại biến đổi từ U2, f về U1, f (Hình 16-1-1).
1.2.2 Máy điện có phần động (quay hoặc chuyển động thẳng)
Nguyên lý làm việc của máy điện dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ và lực điện từ: từ trường và dòng điện của các cuộn dây có chuyển động tương đối với nhau gây ra sự biến đổi năng lượng Loại máy điện này được dùng chủ yếu để biến đổi dạng năng lượng, ví dụ từ điện năng thành cơ năng ở động cơ điện, hoặc từ cơ năng thành điện năng ở máy phát điện Quá trình biến đổi có tính thuận nghịch (như hình 16-1-2), có nghĩa là máy điện có thể hoạt động ở chế độ máy phát điện hoặc động cơ điện.
Trên Hình 16-1-3: vẽ sơ đồ phân loại các loại máy cơ điện cơ bản thường gặp.
Hình 16-1-3: Sơ đồ phân loại các máy điện
Các định luật điện từ dùng trong máy điện
Sơ lƣợc về vật liệu chế tạo máy điện
Vật liệu dẫn điện
Vật liệu dẫn điện được dùng để chế tạo các bộ phận dẫn điện của máy điện, trong đó dây điện từ thường làm bằng đồng hoặc nhôm có tiết diện tròn hoặc chữ nhật và được bọc lớp cách điện khác nhau như sợi vải, sợi thủy tinh, giấy, nhựa hóa học và sơn êmay Với các máy điện có công suất nhỏ và trung bình, điện áp dưới 700V thường dùng lớp cách điện bằng êmay vì lớp cách điện của dây tuy mỏng nhưng vẫn đáp ứng độ bền cần thiết Đối với các bộ phận khác như vành đổi chiều, lồng sóc hoặc vành trượt, ngoài đồng và nhôm người ta còn dùng các hợp kim của đồng hoặc nhôm, hoặc có thể dùng thép ở một số vị trí để tăng độ bền cơ học và giảm lượng kim loại màu.
Vật liệu dẫn từ
Vật liệu dẫntừ được dùng để chế tạo các bộ phận của mạch từ và gồm các loại thép lá thường, thép đúc, thép rèn; gang hiếm khi được dùng vì dẫn từ kém Ở ngoài mạch từ với từ thông biến đổi ở tần số 50 Hz, thép lá kỹ thuật điện dày 0,35–0,5 mm được dùng, thành phần thép có 2–5% Si nhằm tăng điện trở và giảm dòng xoáy; ở tần số cao hơn, dùng thép lá kỹ thuật điện dày 0,1–0,2 mm Tổn hao công suất trong thép lá do hiện trường từ trễ và dòng điện xoáy được đặc trưng bởi suất tổn hao Thép lá kỹ thuật điện được chế tác theo phương pháp cán nóng và cán nguội; ngày nay với máy biến áp và máy điện công suất lớn thường dùng thép cán nguội vì có độ từ thẩm cao hơn và công suất tổn hao nhỏ hơn loại cán nóng Ở đoạn mạch từ có từ trường không đổi, thường dùng thép đúc, thép rèn hoặc thép lá.
Hình 16-1-6: Quy tắc bàn tay trái
Vật liệu cách điện
Vật liệu cách điện dùng để cách ly các bộ phận dẫn điện và không dẫn điện, hoặc cách ly các bộ phận dẫn điện với nhau Trong máy điện, vật liệu cách điện phải có cường độ cách điện cao, chịu nhiệt tốt, tản nhiệt tốt, chống ẩm và bền về cơ học Độ bền vững vềnhiệt của chất cách điện bọc dây dẫn, quyết định nhiệt độ cho phép của dây và do đó quyết định tải của nó.
Nếu tính năng chất cách điện cao thì lớp cách điện có thể mỏng và kích thước của máy giảm.
Chất cách điện của máy điện chủ yếu ở thể rắn, gồm 4 nhóm: a) Chất hữu cơ thiên nhiên như giấy, vải lụa. b) Chất vô cơ như amiăng, mica, sợi thủy tinh. c) Các chất tổng hợp. d) Các loại men, sơn cách điện.
Chất cách điện tốt nhất là mica, song tương đối đắt nên chỉ dùng trong các máy điện có điện áp cao.
Thông thường, người ta dùng các vật liệu có sợi như giấy, vải, sợi, với độ bền cơ tốt, mềm và rẻ nhưng chúng dẫn nhiệt kém, hút ẩm và cách điện kém Vì vậy, dây dẫn cách điện làm từ vật liệu sợi phải trải qua quá trình sấy tẩm để cải thiện tính năng của vật liệu cách điện, tăng độ bền cơ và nâng cao khả năng cách điện.
Căn cứ vào độ bền nhiệt, vật liệu cách điện được chia thành nhiều loại Vật liệu cách điện cấp A gồm bông, tơ, giấy và các chất hữu cơ tương tự được tẩm dầu, và dây dẫn được cách điện bằng sợi êmay Nhiệt độ cho phép của các vật liệu này phụ thuộc vào từng loại và được xác định theo quy chuẩn kỹ thuật.
Vật liệu cách điện cấp B gồm các sản phẩm từ mica, amiăng và sợi thủy tinh, có nhiệt độ làm việc cho phép từ 105°C đến 140°C Vật liệu cách điện cấp E là cấp trung gian giữa cấp A và cấp B, thể hiện mức chịu nhiệt ở giữa các cấp Cấp E và cấp H đều được coi là vật liệu cách điện chịu nhiệt cao, phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi khả năng chịu nhiệt ở mức cao.
Ngoài ra còn có chất cách điện ở thể khí (không khí, khinh khí) hoặc thể lỏng (dầu máy biến áp).
Vật liệu kết cấu
Vật liệu kết cấu là loại vật liệu được sử dụng để chế tạo các chi tiết chịu tác động cơ học như trục, ổ trục, vỏ máy và lắp máy Trong máy điện, các vật liệu kết cấu phổ biến bao gồm gang, thép lá, thép rèn, kim loại màu và các hợp kim của chúng, cùng các chất dẻo.
4 Phát nóng và làm mát máy điện
Trong quá trình vận hành, máy điện chịu các tổn hao công suất gồm tổn hao sắt từ do hiện tượng từ trễ và dòng xoáy trong thép, tổn hao đồng trong điện trở của cuộn dây, và tổn hao do ma sát ở máy điện quay Tất cả các tổn hao năng lượng này đều chuyển thành nhiệt năng, làm nóng máy điện và ảnh hưởng đến hiệu suất vận hành.
Để làm mát máy điện, cần áp dụng các biện pháp tản nhiệt ra môi trường xung quanh Việc tản nhiệt không chỉ phụ thuộc vào diện tích bề mặt làm mát của máy mà còn phụ thuộc vào sự đối lưu của không khí xung quanh hoặc các môi trường làm mát khác như dầu máy biến áp Thông thường vỏ máy điện được thiết kế với các cánh tản nhiệt và hệ thống quạt gió nhằm tăng cường quá trình làm mát và duy trì hiệu quả vận hành.
Kích thước của máy và phương pháp làm mát phải được tính toán và lựa chọn kỹ lưỡng để đảm bảo sự phân bổ nhiệt hợp lý và tối ưu hiệu suất Việc kiểm soát độ tăng nhiệt của vật liệu cách điện trong máy là yếu tố then chốt, nhằm không vượt quá giới hạn cho phép và bảo vệ sự ổn định của lớp cách điện Thiết kế được tối ưu sẽ giúp vật liệu cách điện làm việc lâu dài với tuổi thọ khoảng 20 năm, đồng thời đảm bảo an toàn và độ tin cậy cho hệ thống Các yếu tố cần xem xét bao gồm lưu lượng làm mát, khả năng tản nhiệt và dung sai nhiệt nhằm duy trì hiệu quả làm mát và ngăn ngừa quá nhiệt cho vật liệu cách điện.
Ở chế độ định mức, độ tăng nhiệt của các phần tử điện trở không vượt quá mức cho phép Khi máy quá tải, nhiệt tăng có thể vượt ngưỡng an toàn, gây hỏng hóc và giảm tuổi thọ thiết bị Do đó, quá tải kéo dài bị loại bỏ để bảo vệ an toàn vận hành, duy trì hiệu suất và độ bền của hệ thống điện.
Mã bài: MĐ16.01 Giới thiệu:
Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ và được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điện khác nhau Các loại máy biến áp khác nhau dùng để biến đổi điện áp của dòng điện xoay chiều (AC) từ một mức đến một mức khác mà tần số được giữ không đổi, nhằm tối ưu hóa truyền tải và phân phối điện năng Trong thực tế, máy biến áp có nhiều loại như máy biến áp phân phối, máy biến áp nguồn và máy biến áp cách ly, mỗi loại phù hợp với mục đích và mức điện áp của mạng lưới Với chức năng biến đổi điện áp, máy biến áp đóng vai trò then chốt trong việc cung cấp điện áp phù hợp cho tải và đảm bảo hiệu quả cũng như an toàn cho hệ thống điện.
- Mô tả đươc cấu tạo, phân tích được nguyên lý làm việc của máy biên áp một pha và ba pha
- Xác định được cực tính và đấu dây vận hành máy biến áp một pha và bap ha đúng kỹ thuật
- Đấu máy biến áp, vận hành song song các máy biến áp
- tính toán được các thông số của máy biến áp ở các trạng thái: Không tải, có tải, ngắn mạch.
- Quấn lại được máy biến áp một pha cỡ nhỏ
- Chọn lựa đúng máy biến áp phù hợp với mục đích sử dụng Bảo dưỡng và sửa chữa máy biến áp theo yêu cầu
- Rèn luyện tính cẩn thận tỷ mỉ, chính xác tư duy khoa học và sáng tạo
1.1 Khái niệm về máy biến áp
Máy biến áp là một thiết bị điện từ tĩnh hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, nhằm biến đổi mức điện áp của hệ thống xoay chiều từ một giá trị này sang giá trị khác mà tần số không đổi Để truyền tải và phân phối điện năng đi xa một cách hợp lý và kinh tế, cần có các thiết bị tăng và giảm áp ở đầu và cuối đường dây; những thiết bị này được gọi là máy biến áp (MBA) (Hình 16-02-1) Trong hệ thống điện lực, chúng thường được gọi là MBA điện lực hoặc MBA công suất MBA chỉ đảm nhiệm nhiệm vụ truyền tải và phân phối điện năng, chứ không biến đổi năng lượng.
Hình 16-2-1: Sơ đồ hệ thống truyền tải và phân phối điện năng
Hộ tiêu thụ điện Đ F ĐDK ĐDK
-Trong bản vẽ, MBA được ký hiệu:
- Đầu vào của MBA được nối với nguồn điện gọi là phía sơ cấp; đầu ra được nối ra tải gọi là phía thứ cấp.
1.2 Phân loại máy biến áp a Theo chức năng máy biến áp chia ra các loại sau:
- Máy biến áp điện lực: Dùng để chuyển tải cung cấp điện năng trong hệ thống điện cao áp.
- Máy biến áp chuyên dùng: Là các loại MBA đặc biệt: Máy biến áp hàn, MBA lò xung, lò luyện kim…
Máy biến điện đo lường là thiết bị biến đổi điện áp hoặc dòng điện xuống mức phù hợp để các thiết bị đo lường và bảo vệ hệ thống điện hoạt động chính xác MBA đo lường (TU) hoặc máy biến dòng đo lường (TI) được sử dụng cho các thiết bị đo lường hoặc thiết bị bảo vệ, cung cấp tín hiệu đo lường chuẩn và giúp cách ly an toàn giữa lưới điện và thiết bị đo.
- Máy biến áp thí nghiệm: Được dùng để thí nghiệm các cấp điện áp lớn hơn 1000V b Theo nguyên lý làm việc:
Máy biến áp tự ngẫu là thiết bị biến đổi điện áp ở phạm vi nhỏ, được dùng để khởi động máy động cơ điện xoay chiều hoặc trong các ứng dụng sinh hoạt như nguồn nắn và nạp điện Đặc điểm nổi bật của loại máy này là dây quấn sơ cấp và dây quấn thứ cấp dùng chung trên cùng một lõi từ, giúp tối ưu kích thước và chi phí so với biến áp cách ly.
- Máy biến áp cảm ứng: Đây là loại máy làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, loạinày có dây quấn sơ và thứ cấp độc lập.
1.3 Công dụng của máy biến áp:
Máy biến áp (MBA) đóng vai trò then chốt trong hệ thống truyền tải và phân phối điện năng Nó cho phép tăng điện áp lên mức cao để truyền tải đi xa và hạ xuống về mức thấp an toàn để tiêu thụ, từ đó tối ưu hóa tổn thất điện năng và đảm bảo cấp điện ổn định cho khách hàng.
Các nhà máy điện công suất lớn thường nằm xa khu vực tiêu thụ điện, vì vậy cần xây dựng đường dây truyền tải điện để vận chuyển công suất Để nâng cao khả năng truyền tải và giảm tổn thất công suất trên đường dây, ta giảm dòng điện bằng cách tăng điện áp và đặt máy biến áp tăng áp ở đầu đường dây.
Trong hệ thống điện phân phối, điện áp của tải thường ở khoảng 127V–500V, trong khi các động cơ công suất lớn lại vận hành ở mức điện áp cao từ 3–6kV; vì vậy ở cuối đường dây cần lắp đặt máy biến áp hạ áp (MBA) để giảm điện áp xuống mức phù hợp cho thiết bị và động cơ, từ đó tăng ổn định hệ thống, giảm thiểu tổn thất và đảm bảo an toàn vận hành.
- Máy biến áp 2 dây quấn còn được dùng để tạo nguồn điện các ly với lưới để đảm bảo an toàn.
MBA, hay máy biến áp, ngoài chức năng cung cấp nguồn điện còn được ứng dụng trong nhiều mục đích chuyên dụng như MBA lò cho các thiết bị lò nung, MBA hàn cho quá trình hàn điện, làm nguồn cấp cho các thiết bị điện tử hoạt động ở nhiều cấp điện áp khác nhau, và được sử dụng trong đo lường (TU, TI…).
2 Cấu tạo máy biến áp
Máy biến áp được chế tạo từ vật liệu dẫn từ tốt, điển hình là thép lá kỹ thuật điện có độ dày từ 0,35–0,5 mm nhằm hạn chế dòng Fuco và giảm hao tổn năng lượng do mạch từ Mạch từ trong máy biến áp thường được chế tạo ở các dạng phổ biến như hình chữ E-I, hình chữ nhật và hình xuyến, tối ưu hóa đường dẫn từ thông Lõi thép đóng vai trò là nơi dẫn từ thông chính của máy, tăng hiệu suất và độ ổn định vận hành.
- Lõi thép gồm 2 bộ phận:
+ Trụ là nơi đặt dây quấn máy biến áp.
+ Gông là phần khép kín mạch từ giữa các trụ với nhau
Trụ và gông tạo thành mạch từ khép kín
Dây quấn là phần dùng để dẫn điện trong máy biến áp và được thiết kế dưới dạng dây quấn điện từ Thường làm bằng đồng hoặc nhôm có tiết diện tròn hoặc hình chữ nhật, và được cách điện bằng cotton hoặc emay để bảo đảm cách điện và chịu nhiệt, từ đó tối ưu hóa hiệu suất và độ bền của máy biến áp.