Giáo trình Máy điện 1 (Nghề Điện công nghiệp Trình độ Cao đẳng)

Mục tiêu của môn học: Sau khi hoàn tất môn học này học viên có năng lực:  Mô tả được cấu tạo, phân tích nguyên lý của các loại máy điện  Vẽ được sơ đồ khai triển dây quấn máy điện  Q

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ GIỚI VÀ THỦY LỢI

GIÁO TRÌNH MÁY ĐIỆN 1 NGHỀ: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG

NĂM 2020

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN

Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm

LỜI GIỚI THIỆU

Xã hội càng phát triển thì nhu cầu sử dụng điện ngày càng lớn Máy điện là thiết bị được sử dụng nhiều nhất trong tất cả các lĩnh vực của nền kinh tế Vì vậy, tìm hiểu, nghiên cứu các kiến thức cơ bản trong thiết kế, vận hành, khai thác máy điện là vấn đề được nhiều người, nhiều ngành quan tâm quan tâm, đặc biệt là các

kĩ sư, kĩ thuật viên ngành điện

Giáo trình do các nhà giáo có nhiều năm kinh nghiệm giảng dạy tại trường biên soạn Nội dung của giáo trình được xây dựng dựa trên cơ sở tham khảo các giáo trình đang được giảng dạy tại các trường trong nước kết hợp với những nội dung

đã được giảng dạy nhiều năm của nhà trường và các nội dung nhằm đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng đào tạo phục vụ sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa Nội dung của giáo trình được biên soạn gồm 5 bài như sau:

Bài 1: Khái niệm chung về máy điện

Bài 2: Máy biến áp

Bài 3: Máy điện không đồng bộ

Bài 4: Máy điện đồng bộ

Bài 5: Máy điện một chiều

Nhóm biên soạn

Contents

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN 1

LỜI GIỚI THIỆU 2

GIỚI THIỆU VỀ MÔ ĐUN 8

Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học: 8

Mục tiêu của môn học: 8

Nội dung của môn học: 8

BÀI 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 9

Mục tiêu: 9

1.1.CÁC ĐỊNH LUẬT ĐIỆN TỪ DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN 9

1.1.1.Định luật lực điện từ 9

1.1.2.Định luật cảm ứng điện từ 10

1.1.3.Tự cảm & hổ cảm 11

1.2.ĐỊNH NGHĨA & PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN 12

1.2.1.Định nghĩa 12

1.2.2.Phân loại 12

1.3.NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC MÁY PHÁT ĐIỆN & ĐỘNG CƠ ĐIỆN 14

1.3.1.Nguyên lý làm việc của máy phát điện 14

1.3.2.Nguyên lý làm việc của động cơ điện 15

1.3.3.Tính thuận nghịch của máy điện 15

1.4.CÁC LOẠI VẬT LIỆU CHẾ TẠO MÁY ĐIỆN 15

1.4.1.Vật liệu dẫn điện 15

1.4.2.Vật liệu dẫn từ 16

1.4.3.Vật liệu cách điện 16

1.4.4.Vật liệu kết cấu 17

1.5.PHÁT NÓNG & LÀM MÁT MÁY ĐIỆN 17

1.5.1.Đại cương 17

1.5.2.Sự phát nóng và nguội lạnh của máy điện 18

CÂU HỎI ÔN TẬP BÀI 1 21

BÀI 2: MÁY BIẾN ÁP 22

Mục tiêu: 22

2.1 KHÁI NIỆM CHUNG 22

2.1.1 Vai trò và công dụng 22

2.1.2 Định nghĩa 23

2.2 CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 23

2.2.1 Lõi thép máy biến áp 23

2.2.2 Dây quấn máy biến áp 24

2.2.3 Vỏ máy biến áp 24

2.3 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐỊNH MỨC CỦA MÁY BIẾN ÁP 26

2.3.1 Điện áp định mức 26

2.3.2 Dòng điện định mức 26

2.3.3 Công suất định mức 26

2.4 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP 27

2.5 MÔ HÌNH TOÁN & SƠ ĐỒ THAY THẾ CỦA MÁY BIẾN ÁP 29

2.5.1 Quá trình điện từ trong máy điện 29

2.5.2 Phương trình điện áp phía sơ cấp 29

2.5.3 Phương trình điện áp phía thứ cấp 30

2.5.4 Phương trình cân bằng sức từ động 30

2.5.5 S ơ đồ thay thế máy biến áp 31

2.6.CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP 33

2.6.1 Chế độ không tải của máy biến áp 33

2.6.2.Chế độ ngắn mạch của máy biến áp 35

2.6.3.Chế độ có tải của máy biến áp 38

2.7.QUẤN MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA CỠ NHỎ 41

2.7.1.Các loại lõi thép máy biến áp - cách ghép lõi thép máy biến áp 41

2.7.2.Phương pháp đo kích thước lõi 44

2.7.3.Phương pháp làm khuôn, làm lõi quấn dây máy biến áp 47

2.7.4.Phương pháp quấn dây máy biến áp một pha 49

2.7.5.Tính toán số liệu dây quấn máy biến áp một pha 50

CÂU HỎI ÔN TẬP BÀI 2 59

BÀI 3: MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 61

Mục tiêu: 61

3.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 61

3.1.1 Khái niệm 61

3.1.2 Phân loại 61

3.2.1 Phần tĩnh 62

3.2.2 Phần quay 62

3.3 TỪ TRƯỜNG QUAY CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 64

3.4 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CƠ BẢN CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 66 3.5.CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐỊNH MỨC CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 67

3.6.MÔ MEN QUAY CỦA ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA 67

3.6.1Phương trình cân bằng mômen 67

3.6.2 Biểu thức mô men 68

3.6.3 Công thức Clox (Klox) 72

3.6.4 Đặc tính cơ và vấn đề ổn định 73

3.7 MỞ MÁY ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA 74

3.7.1 Quá trình mở máy động cơ điện không đồng bộ 74

3.7.2 Các phương pháp mở máy 75

3.8 BIỂU ĐỒ NĂNG LƯỢNG CỦA ĐỘNG CƠ 78

3.9 HIỆU SUẤT 78

3.10 SƠ ĐỒ DÂY QUẤN ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA 1 LỚP DÂY 79

3.10.1 Sơ lược về cấu tạo bộ dây quấn Stato động cơ không đồng bộ 3 pha 79

3.10.2 Các thông số sử dụng khi lập sơ đồ dây quấn 3 pha 79

3.10.3 Các bước thực hiện vẽ sơ đồ trải bộ dây quấn stato động cơ KĐB 3 pha 83 3.10.4.S ơ đồ dây quấn động cơ không đồng bộ 1 pha 93

3.11 QUẤN BỘ DÂY STATO ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA 102

3.11.1 Quấn động cơ KĐB 3 pha đồng tâm q tập trung 2p = 4 102

3.11.2 Quấn động cơ KĐB 3 pha đồng tâm q phân tán 2p = 4 103

3.11.3 Quấn động cơ KĐB 3 pha đồng khuôn q tập trung 2p = 4 105

3.12 XÁC ĐỊNH CỰC TÍNH ĐỘNG CƠ 3 PHA 106

3.12.1 Xác định bằng dòng điện một chiều 106

3.13.ĐỌC CÁC THÔNG SỐ TRÊN NHÃN ĐỘNG CƠ 3 PHA 107

3.13.1 Sơ lược về các thông số trên nhãn động cơ 3 pha 107

3.14.ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ MỘT PHA 109

3.14.1.Khái quát 109

3.14.2 Phân loại động cơ KĐB 1 pha 110

3.14.3 Phân tích trừ trường trong dây quấn động cơ KĐB 1 pha 110

3.14.4.Nguyên lý làm việc 111

3.14.5 Sơ đồ dây quấn động cơ KĐB 1 pha 113

3.14.6.Qu ấn bộ dây stato động cơ không đồng bộ 1 pha 114

3.15 THÁO LẮP, BẢO DƯỠNG MÁY ĐIỆN 115

3.15.1.Những yêu cầu khi sử dụng dụng cụ tháo lắp máy điện 115

3.15.2.Tháo lắp, bảo dưỡng động cơ điện 116

BÀI 4: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 118

Mục tiêu: 118

4.1 ĐỊNH NGHĨA VÀ CÔNG DỤNG 119

4.1.1 Định nghĩa 119

4.1.2 Công dụng 119

4.1.3 Các trị số định mức 119

4.2 CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 120

4.2.1 Stato 120

4.2.2 Rôto 120

4.3 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 122

4.4 PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 123

4.4.1 Khi tải thuần trở 123

4.4.2 Khi tải thuần cảm 124

4.4.3 Khi tải thuần dung 124

4.4.4 Khi tải tổng hợp 124

4.5 CÁC ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 125

4.5.1 Đặc tính ngoài của máy phát điện đồng bộ 125

4.5.2 Đặc tính điều chỉnh 125

4.6.BẢO DƯỠNG, SỬA CHỮA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ 126

4.6.1.Máy phát điện đồng bộ làm việc song song 126

4.6.2.Các phương pháp hòa đồng bộ chính xác 127

4.6.3.Phương pháp tự đồng bộ 129

CÂU HỎI ÔN TẬP BÀI 4 130

BÀI 5: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 131

Mục tiêu: 131

5.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 131

5.2 CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 132

5.2.1 Stato 132

5.2.2 Rôto 133

5.3 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CƠ BẢN CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 135

5.3.1 Chế độ máy phát điện 135

5.3.2 Chế độ động cơ điện 136

5.4 TỪ TRƯỜNG VÀ SỨC ĐIỆN ĐỘNG CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 137

5.4.1 Phản ứng phần ứng trong máy điện một chiều 137

5.4.2 Từ trường cực từ phụ 138

5.4.3 Sức điện động phần ứng 139

5.5 CÔNG SUẤT ĐIỆN TỪ, MÔMEN ĐIỆN TỪ CỦA MĐ MỘT CHIỀU 140

5.6 TIA LỬA ĐIỆN TRÊN CỔ GÓP VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC 140

5.6.1 Nguyên nhân cơ khí 141

5.6.2 Nguyên nhân điện từ 141

5.7 MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU 141

5.7.1 Máy phát điện một chiều kích từ độc lập 142

5.7.2 Máy phát điện kích từ song song 143

5.7.3 Máy phát điện một chiều kích từ nối tiếp 144

5.7.4 Máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp 145

5.8 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 145

5.8.1 Mở máy động cơ điện một chiều 146

5.8.2 Điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều 148

5.9 BẢO DƯỠNG,SỬA CHỮA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 149

5.9.1.Thuật ngữ và phân loại dây quấn 149

5.9.2.Phương pháp đưa đầu dây lên phiến góp 150

5.9.3.Định nghĩa các bước bối dây và các công thức liên quan 151

5.9.4.Xây dựng sơ đồ khai triển dây quấn rôto máy điện một chiều 152

5.9.4.S ơ đồ dây quấn theo công nghệ quấn dây rôto động cơ vạn năng 157

CÂU HỎI ÔN TẬP BÀI 5 163

BÀI TẬP BÀI 5 163

TÀI LIỆU THAM KHẢO 165

GIỚI THIỆU VỀ MÔ ĐUN

MÔ ĐUN: MÁY ĐIỆN 1

Mã mô đun: MĐ20

Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học:

Môn học máy điện là một môn học chuyên môn của học viên ngành điện công nghiệp Môn học này nhằm trang bị cho học viên các trường cao đẳng nghề, trung cấp nghề và các trung tâm dạy nghề những kiến thức về nguyên lý, cấu tạo, các chế

độ làm việc của máy biến áp, máy điện không đồng bộ, máy điện đồng bộ và máy điện một chiều với các kiến thức này học viên có thể áp dụng trực tiếp vào lĩnh vực sản xuất cũng như đời sống Ngoài ra các kiến thức này dùng làm phương tiện

để học tiếp các môn chuyên môn của ngành điện như cung cấp điện, trang bị điện, máy điện 2 Môn học này cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho các cán bộ kỹ thuật, các học viên của các ngành khác quan tâm đến lĩnh vực này

Mục tiêu của môn học:

Sau khi hoàn tất môn học này học viên có năng lực:

 Mô tả được cấu tạo, phân tích nguyên lý của các loại máy điện

 Vẽ được sơ đồ khai triển dây quấn máy điện

 Quấn lại được động cơ một pha, ba pha, máy biến áp bị hỏng theo số liệu

có sẵn

 Tính toán một số thông số kỹ thuật cần thiết trong máy điện

 Kiểm tra, bảo dưỡng, sửa chữa các hư hỏng ở phần điện và phần cơ các loại máy điện

 Phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo và tư duy khoa học trong công

việc

Nội dung của môn học:

BÀI 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN

- Phát biểu được các định luật điện từ trong máy điện

- Phân tích được nguyên lý hoạt động của máy phát và động cơ điện

- Giải thích được quá trình phát nóng và làm mát của máy

- Phát huy tính tích cực, chủ động, cẩn thận trong công việc

Trong nghiên cứu máy điện ta thường dùng các định luật sau: định luật cảm ứng điện từ, định luật lực điện từ và định luật mạch từ Các định luật này đã được trình bày trong giáo trình vật lý, ở đây nêu lại những điểm chính áp dụng cho nghiên cứu máy điện

1.1.1 Định luật lực điện từ

Lực điện từ có ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật, và là cơ sở để chế tạo máy điện, khí cụ điện Thực nghiệm chứng tỏ rằng đặt một dây dẫn thẳng có dòng điện vuông góc với đường sức của từ trường đều, sẽ xuất hiện lực điện từ tác dụng lên dây dẫn xác định như sau:

+ Trị số lực tỉ lệ với cường độ từ cảm, chiều dài dây dẫn đặt trong từ trường (gọi là chiều dài tác dụng) và cường độ dòng điện

i: cường độ dòng điện (A)

+ Phương và chiều lực điện từ xác định theo quy

tắc bàn tay trái (hình 1-1); ngửa bàn tay trái cho

đường sức từ (hoặc véctơ từ cảm B) xuyên qua lòng

bàn tay, chiều bốn ngón tay duỗi thẳng theo chiều

dòng điện thì ngón tay cái duỗi ra chỉ chiều lực điện từ

Trường hợp dây dẫn không đặt vuông góc mà lệch nhau một góc ≠ 900 thì trị

số lực F được xác định bởi công thức:

Hình 1-1 Quy tắc bàn tay trái

1.1.2 Định luật cảm ứng điện từ

Năm 1831, nhà vật lý học người Anh là Michel Faraday phát hiện ra hiện tượng cảm ứng điện từ, một hiện tượng cơ bản của kỹ thuật điện Nội dung của hiện tượng đó là: khi từ thông biến thiên bao giờ cũng kèm theo sự xuất hiện một

sức điện động, gọi là sức điện động cảm ứng

a Trường hợp từ thông Φ biến thiên xuyên qua vòng dây

Năm 1833, nhà vật lý học người Nga là Lenx đã phát hiện ra quy luật về chiều sức điện động cảm ứng và do đó định luật cảm ứng điện từ được phát biểu như sau:

khi từ thông Φ biến thiên xuyên qua một vòng dây, sẽ làm xuất hiện một sức điện động gọi là sức điện động cảm ứng trong vòng dây Sức điện

động này có chiều sao cho dòng điện do nó sinh ra tạo

thành từ thông có tác dụng chống lại sự biến thiên từ thông

Dấu  trên hình (1-2) chỉ chiều của Φ đi từ ngoài vào trong Nếu cuộn dây có

W vòng, sức điện động cảm ứng của cuộn dây là:

e = -WdΦ = -dΨ

Trong đó:  = WΦ gọi là từ thông móc vòng của cuộn dây Đơn vị của từ

thông là Webe (Wb), sức điện động là votl (V)

b Trường hợp thanh dẫn chuyển động trong từ trường

Hình vẽ (1-3) biểu diễn một thanh dẫn chuyển động

trong từ trường của một nam châm vĩnh cửu

Khi thanh dẫn chuyển động thẳng góc với các

đường sức của từ trường đều B với vận tốc v, trong

Hình 1-3 Quy tắc bàn tay phải

Chiều dài của sức điện động cảm ứng được xác định theo quy tắc bàn tay phải (hình 1-3); ngửa bàn tay phải cho đường sức từ (hoặc véctơ từ cảm B) xuyên qua lòng bàn tay, ngón tay cái duỗi thẳng ra vuông góc theo chiều quay của thanh dẫn, thì chiều bốn ngón tay duỗi thẳng ra chỉ chiều sức điện động e

1.1.3 Tự cảm & hổ cảm

a Tự cảm

- Cho qua cuộn dây có W vòng một dòng điện thì sẽ sinh

ra từ thông móc vòng với cuộn dây là:

Điện cảm L của cuộn dây được định nghĩa là:

L = Ψ = W.Φ

Đơn vị của điện cảm là H (Henry)

- Nếu dòng điện i biến thiên theo thời gian t thì từ thông  cũng biến thiên theo thời gian t và cuộn dây cảm ứng ra sức điện động tự cảm eL khi L = const (hằng số)

Hiện tượng hỗ cảm là hiện tượng xuất

hiện từ trường trong cuộn dây do dòng điện

biến thiên trong cuộn dây khác tạo nên Trên

hình 1-5 có hai cuộn dây có liên hệ hỗ cảm với nhau Từ thông hỗ cảm trong cuộn

2 do dòng điện i1tạo nên là:

Hình 1-4 Tự cảm

Hình 1-5 Hỗ cảm

là các cực cùng tính, khi các dòng điện có chiều cùng đi vào (hoặc cùng ra khỏi) các cực đánh dấu ấy thì từ thông tự cảm 11 và từ thông hỗ cảm 21 cùng chiều Cực tính phụ thuộc vào chiều quấn dây và vị trí của các cuộn dây có hỗ cảm

Máy điện là máy thường gặp nhiều trong các ngành kinh tế như công nghiệp, giao thông vận tải, và trong các dụng cụ sinh hoạt gia đình

1.2.2 Phân loại

Dựa vào nguyên lý biến đổi năng lượng máy điện được phân loại thành hai loại chính sau:

a Máy điện tĩnh

Máy điện tĩnh làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, do sự biến đổi từ thông trong các cuộn dây không có sự chuyển động tương đối với nhau Thường dùng để biến đổi các thông số điện năng như máy biến áp biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp xoay chiều có giá trị khác,… và được phân loại như sau:

 Theo công dụng:

+ Máy biến áp điện lực: Dùng trong truyền tải phân phối điện năng

+ Máy biến áp đo lường: Dùng trong kĩ thuật đo lường

+ Máy biến áp hàn: Dùng trong kĩ thuật hàn

+ Máy biến áp âm tần, cao tần: Dùng trong kĩ thuật điện tử

+ Máy biến áp lò: Dùng trong các lò luyện kim

 Theo số pha:

+ Máy biến áp một pha

+ Máy biến áp 3 pha

Hình 1-7 Biểu diễn tính thuận nghịch của máy biến áp

b Máy điện quay

Nguyên lý làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, lực điện từ do từ trường và dòng điện của các cuộn dây có chuyển động tương đối với nhau gây ra Loại máy điện này thường dùng để biến đổi dạng năng lượng, ví dụ biến đổi cơ năng thành điện năng (máy phát điện) hoặc biến đổi điện năng thành cơ năng (động cơ điện) Quá trình biến đổi có tính chất thuận nghịch Máy điện quay được phân loại như sau:

 Máy điện xoay chiều:

+ Máy điện không đồng bộ (MKĐB):

 Máy điện một chiều:

- Động cơ một chiều (ĐMC)

- Máy phát một chiều (MFMC)

Hình 1-8 là sơ đồ phân loại các máy điện thường gặp

Hình 1-8 Sơ đồ phân loại máy điện

Máy điện có tính thuận nghịch nghĩa là nó có thể làm việc ở chế độ máy phát điện hoặc động cơ điện

1.3.1 Nguyên lý làm việc của máy phát điện

Cho cơ năng của động cơ sơ cấp vào

thanh dẫn một lực cơ học Fcơ thanh dẫn sẽ

chuyển động với tốc độ v trong từ trường

của nam châm N-S trong thanh dẫn sẽ cảm

ứng sức điện động e Nếu nối vào 2 cực

của thanh dẫn điện trở R tải, sẽ có dòng

điện i chạy trong thanh dẫn cung cấp điện

cho tải Nếu bỏ qua điện trở của thanh dẫn,

điện áp đặt vào tải u = e Công suất

điện của máy phát cung cấp cho tải là:

p = ui = ei (1-15)

Hình 1-9 Nguyên lý làm việc của máy phát điện

Dòng điện i nằm trong từ trường sẽ chịu tác dụng của một lực điện từ Fđt =

B.l.i có chiều như như hình vẽ 1-9

Khi máy quay với tốc độ không đổi lực điện từ sẽ cân bằng với lực cơ của động cơ sơ cấp: Fcơ = Fđt, máy sẽ quay đều

Nhân hai vế của biểu thức trên với tốc độ v ta có:

Fcơ.v = Fđt.v = B.i.l.v = e.i (1-16)

Điều này có nghĩa là, công suất cơ của động cơ sơ cấp Pcơ =Fcơ.v đã được biến đổi thành công suất điện Pđ = e.i, tức là cơ năng biến thành điện năng ở máy phát điện

1.3.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện

Cung cấp điện cho máy phát điện,

điện áp u của nguồn điện sẽ gây ra

dòng điện i chạy trong thanh dẫn Dưới

tác dụng của từ trường sẽ có lực điện từ

Fđt = B.l.i tác dụng lên thanh dẫn

chuyển động với tốc độ v có chiều như

hình 1-10

Như vậy công suất điện Pđ = u.i

đưa vào động cơ đã được biến thành

công suất cơ Pcơ = Fđt.v trên trục động

cơ Điện năng đã biến đổi thành cơ năng

1.3.3 Tính thuận nghịch của máy điện

Qua các mục (1.3.1) và (1.3.2) ta nhận thấy, cùng một thiết bị điện từ (thanh dẫn đặt trong từ trường nam châm N-S), tùy theo năng lượng đưa vào (cơ năng hay điện năng) mà máy điện có thể làm việc ở chế độ máy phát điện hay động cơ điện Đây chính là tính thuận nghịch của máy điện Mọi loại máy điện đều có tính thuận nghịch

Vật liệu chế tạo máy điện gồm: vật liệu dẫn điện, vật liệu dẫn từ, vật liệu cách điện, vật liệu kết cấu

1.4.1 Vật liệu dẫn điện

Vật liệu dẫn điện dùng để chế tạo các bộ phận dẫn điện:

Hình 1-10 Nguyên lý làm việc của động cơ điện

- Vật liệu dẫn điện dùng trong máy điện tốt nhất là đồng, vì chúng không đắt lắm và có điện trở suất nhỏ Ngoài ra còn dùng nhôm và các hợp kim khác như đồng thau, đồng phốt pho

- Đối với các bộ phận khác như vành đổi chiều, lồng sóc, hoặc vành trượt, ngoài đồng, nhôm người ta còn dùng cả các hợp kim của đồng hoặc nhôm, hoặc có chỗ còn dùng cả thép để tăng độ bền cơ học và giảm kim loại màu

1.4.2 Vật liệu dẫn từ

Vật liệu dẫn từ dùng để chế tạo các bộ phận của mạch từ:

- Ở đoạn mạch từ có từ thông biến đổi với tần số 50Hz thường dùng thép lá kỹ thuật điện dày 0,35  0,5 mm

- Ở tần số cao hơn, dùng thép lá kỹ thuật điện dày 0,1  0,2 mm

- Thép lá kỹ thuật điện được chế tạo bằng phương pháp cán nóng và cán nguội

- Ở đoạn mạch từ có từ trường không đổi, thường dùng thép đúc, thép rèn hoặc thép lá

- Chất cách điện của máy điện chủ yếu ở thể rắn, gồm 4 nhóm:

+ Chất hữu cơ thiên nhiên như giấy, vải lụa

+ Chất vô cơ như amiăng, mica, sợi thủy tinh

+ Các chất tổng hợp

+ 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 dùng các vật liệu có sợi như giấy, vải, sợi,… Chúng có độ bên cơ học tốt, mềm, rẻ tiền nhưng dẫn nhiệt xấu, hút ẩm, cách điện kém

Căn cứ vào độ bền cơ nhiệt, vật liệu cách điện được chia ra nhiều loại cấp các điện sau:

Cấp

cách

Nhiệt độ giới hạn cho phép vật liệu

(0C)

Nhiệt độ trung bình cho phép dây quấn (0C)

A Sợi xenlulô, bông hoặc tơ tẩm

B Amiăng, sợi thủy tinh có chất

F

Amiăng, vật liệu gốc mica,

sợi thủy tinh có chất kết dính

và tẩm tổng hợp

H

Vật liệu gốc mica, amiăng,

sợi thủy tinh phối hợp chất

kết dính và tẩm silic hữu cơ

1.5.1 Đại cương

Các tổn thất trong quá trình biến đổi năng lượng của MĐ biến thành nhiệt năng làm nóng các bộ phận cấu tạo MĐ Tổn hao nhiều và khi tải nặng thì máy càng nóng Nhiệt độ của MĐ phụ thuộc vào chế độ làm việc: liên tục, ngắn hạn hoặc ngắn hạn lặp lại Vì kích thước và chế độ làm việc nhất định nên khi sử dụng không vượt quá giá trị định mức trên máy Nếu máy được tản nhiệt ra môi trường tốt thì công suất tăng, khả năng mang tải nhiều hơn

Các máy điện thường làm việc ở nhiều chế độ khác nhau và rất đa dạng

a Làm việc với toàn bộ công suất trong thời gian dài

b Làm việc ngắn hạn

c Làm việc theo chu kì

d Làm việc với tải thay đổi

Do chế độ làm việc khác nhau nên sự phát nóng của MĐ cũng khác nhau Vì vậy MĐ phải thiết kế theo từng chế độ cụ thể sao cho các bộ phận của phát nóng phù hợp với vật liệu

 Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại:

Thời gian máy làm việc và nghỉ trong một chu kì không đủ dài để nhiệt độ các

bộ phận của máy đạt đến giá trị xác lập Chế độ này đặc trưng bằng tỉ số giữa thời gian làm việc và thời gian của một chu kì làm việc và nghỉ Các tỉ số được chế tạo với 15%, 25%, 40%, 60%

Chú ý: máy điện được chế tạo để dùng ở chế độ làm việc định mức liên tục

1.5.2 Sự phát nóng và nguội lạnh của máy điện

Các máy điện đều có cấu trúc phức tạp gồm nhiều bộ phận hình dạng khác nhau và làm lạnh bằng các vật liệu có độ dẫn nhiệt không giống nhau Khi máy

làm việc, nhiệt độ của lõi thép, dây quấn không bằng nhau do có sự trao đổi nhiệt giữa các bộ phận Hơn nữa nhiệt độ của chất làm lạnh ở mỗi khu vực trong máy cũng không giống nhau

a Các kiểu cấu tạo của máy điện:

Kiểu cấu tạo của máy điện phụ thuộc vào phương pháp bảo vệ máy đối với môi trường bên ngoài Cấp bảo vệ được kí hiệu bằng chữ IP kèm theo hai chỉ số, chữ số thứ nhất là  và chữ thứ hai P:

+  gồm 7 cấp được đánh số từ 0 đến 6 chỉ mức độ bảo vệ chống sự tiếp xúc của người và vật rơi

+ P gồm 9 cấp, đánh số từ 0 dến 8 chỉ mức độ bảo vệ chống nước vào máy + Số 0 ở IP rằng, máy không bảo vệ gì cả Chia kiểu cấu tạo như sau:

- Kiểu hở: Không có bộ phận che chở để tránh các vật từ ngoài chạm vào phần quay hoặc các bộ phận dẫn điện của nó Loại này đặt trong các nhà máy hoặc phòng thí nghiệm, không tránh được ẩm ướt (IP00)

- Kiểu bảo vệ: Có các tấm chắn có thể tránh được các vật và nước rơi vào máy Loại này đặt trong nhà (cấp bảo vệ từ P11 đến P33)

- Kiểu kín: Có vỏ bọc cách biệt trong phần máy với môi trường bên ngoài Nó dùng ở nơi ẩm ướt, kể cả ngoài trời Tùy theo mức độ kín, cầp bảo vệ có từ P44 trở lên

b Các phương pháp làm lạnh máy điện:

- Máy điện làm lạnh tự nhiên: không có bộ phận thổi gió làm lạnh, nên công

suất giới hạn trong khoảng (vài chục  vài trăm) W nên có cách tản nhiệt để tăng thêm bề mặt tản nhiệt

- Máy điện làm lạnh trong: có quạt gió đặt đầu trục thổi vào trong máy Đối với

máy công suất nhỏ, chiều dài nhỏ hơn 200  250 mm, gió chỉ thổi dọc trục theo khe hở giữa stato và Rôto và theo các rãnh thông gió dọc trục ở lõi thép Stato và

Rôto (Hình 1.11)

Khi công suất máy lớn, chiều dài của máy tăng thì nhiệt độ dọc chiều dài của máy sẽ không đều Vì vậy phải tạo rãnh thông gió ngang trục Lõi thép chia thành từng đoạn dài khoảng 4 cm và khe hở giữa các đoạn khoảng 1 cm Gió sẽ đi vào hai đầu rồI theo các rãnh ngang trục và thoát ra ở giữa thân máy để rồi lai trở về

hai đầu (Hình 1.12)

- Máy điện tự làm lạnh mặt ngoài: máy thuộc kiểu kín Ở đầu trục bên ngoài

máy có gắn quạt gió và nắp quạt gió để hướng thổi dọc mặt ngoài của thân máy

(Hình 1.13).

Hình 1.11 Hệ thống gió dọc trục

của máy diện 1 chiều Hình 1.12 Hệ thống gió ngang trục của máy điện 1 chiều

Để tăng diện tích của bề mặt máy lạnh thân máy được đúc có cánh tản nhiệt, có đặt quạt gió để tăng tốc độ gió trong máy, do đó tăng thêm sự trao đổi nhiệt giữa

vỏ và lõi

- Máy nhiệt làm lạnh độc lập: Ở các máy lớn, quạt thường được đặt riêng ở

ngoài để hút gió đưa nhiệt lượng trong máy ra ngoài Để tránh hút bụi vào máy có thể dùng hệ thống làm lạnh riêng Trong trường hợp đó, không khí hoặc khí làm lạnh sau khi ở máy ra được đưa qua bộ phận làm lạnh rồi lại được đưa vào máy theo chu trình kín như trình bày trên(Hình 1.14)

- Máy điện làm lạnh trực tiếp: Khi công suất của máy điện lớn, khoảng 300 

500 ngàn kW thì hệ làm lạnh kín bằng khí hyđrô vẫn không đủ hiệu lực Đối với các máy điện đó, dây quấn được chế tạo bằng các thanh dẫn rỗng trong có nước hoặc dầu chạy qua để được làm lạnh trực tiếp Như vậy nhiệt lượng của dây quấn không phải truyền qua chất cách điện mà được nước hoặc dầu trực tiếp đem ra ngoài do đó có thể tăng mật độ dòng điện trong thanh dẫn lên 3 đến 4 lần và giảm kích thước máy, tiết kiệm vật liệu chế tạo

Hình 1.14 Hệ làm lạnh Hình 1.13 Máy điện tự làm lạnh mặt ngoài

CÂU HỎI ÔN TẬP BÀI 1

1 Giải thích ứng dụng của định luật cảm ứng điện từ và lực điện từ trong máy điện?

2 Định nghĩa máy điện? Cách phân loại máy điện?

3 Giải thích nguyên lý thuận nghịch của máy điện?

4 Các vật liệu chế tạo máy điện là gì?

BÀI 2: MÁY BIẾN ÁP

- Mô tả được cấu tạo, phân tích được nguyên lý làm việc của máy biến áp một pha và ba pha

- Xác định được cực tính và đấu dây vận hành máy biến áp một pha, ba pha 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, tỉ mỉ, chính xác, tư duy khoa học và sáng tạo

2.1.1 Vai t rò và công dụng

Để dẫn điện từ nhà máy phát điện đến hộ tiêu thụ cần phải có đường dây tải điện (hình 2-1) Nếu khoảng cách từ nơi sản xuất đến hộ tiêu thụ lớn, một vấn đề đặt ra là việc truyền tải điện năng đi xa làm sao cho kinh tế nhất

Hình 2-1 Sơ đồ cung cấp điện đơn giản

Ta có, dòng điện truyền tải trên đường dây:

P: Công suất truyền tải trên đường dây

U: Điện áp truyền tải của lưới điện

Rd: Điện trở đường dây tải điện

Cosφ: Hệ số công suất của lưới điện

φ: Góc lệch pha giữa dòng điện I và điện áp U

Từ các công thức trên ta thấy, cùng một công suất truyền tải trên đường dây, nếu điện áp truyền tải càng cao thì dòng điện chạy trên đường dây sẽ càng bé, do

đó trọng lượng và chi phí dây dẫn sẽ giảm xuống, tiết kiệm kim loại màu, đồng thời tổn hao năng lượng trên đường dây sẽ giảm xuống Vì thế, muốn truyền tải công suất lớn đi xa ít tổn hao và tiết kiệm kim loại màu người ta phải dùng điện áp cao, thường là 35kV, 110kV, 220kV, 500kV Trên thực tế các máy phát điện chỉ phát ra điện áp từ 3  21kV, do đó phải có thiết bị tăng điện áp ở đầu đường dây Mặt khác các hộ tiêu thụ thường yêu cầu điện áp thấp, từ 0,4  6kV, vì vậy cuối đường dây phải có thiết bị giảm điện áp xuống Thiết bị dùng để tăng điện áp ở đầu đường dây và giảm điện áp cuối đường dây gọi là máy biến áp (MBA)

2.1.2 Định nghĩa

Máy biến áp là một thiết bị từ tĩnh, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp này thành một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp khác, với tần số không thay đổi

Máy biến áp có các bộ phận chính sau đây:

hai thành phần: trụ và gông (hình 2-2) Trụ là phần để đặt dây quấn còn gông là

phần nối liền giữa các trụ để tạo thành một mạch kín

2.2.2 Dây quấn máy biến áp

Nhiệm vụ của dây quấn máy biến áp là nhận năng lượng vào và truyền năng lượng ra Dây quấn máy biến áp thường được chế tạo bằng dây đồng (hoặc nhôm),

có tiết diện tròn hoặc chữ nhật, bên ngoài dây dẫn có bọc cách điện Dây quấn gồm nhiều vòng dây và lồng vào trụ lõi thép Giữa các vòng dây, giữa các dây quấn có cách điện với nhau và các dây quấn cách điện với lõi thép Dây quấn máy biến áp thường có hai hoặc nhiều dây quấn Khi các dây quấn đặt trên cùng một trụ, thì dây quấn thấp áp đặt sát trụ thép, dây quấn cao áp đặt lồng ra ngoài Làm như vậy sẽ giảm được vật liệu cách điện

Hình 2-3 Dây quấn: a) Một pha; b,c) Ba pha

2.2.3 Vỏ máy biến áp

Vỏ máy làm bằng thép gồm hai bộ phận: thùng máy và nắp máy

 Thùng MBA: Trong thùng máy biến áp (hình 2-4) đặt lõi thép, dây quấn và dầu biến áp Dầu biến áp làm nhiệm vụ tăng cường cách điện và tản nhiệt Lúc

máy biến áp làm việc, một phần năng lượng tiêu hao thoát ra dưới dạng nhiệt làm dây quấn, lõi thép và các bộ phận khác nóng lên Nhờ sự đối lưu trong dầu và truyền nhiệt từ các bộ phận bên trong MBA sang dầu và từ dầu qua vách thùng ra môi trường xung quanh

 Nắp thùng MBA: Dùng để đậy trên thùng và trên đó có các bộ phận quan trọng như:

+ Sứ ra của dây quấn cao áp và dây quấn hạ áp, làm nhiệm vụ cách điện + Bình giãn dầu (bình dầu phụ) có ống thủy tinh để xem mức dầu

+ Ống bảo hiểm: làm bằng thép, thường làm thành hình trụ nghiêng, một đầu nối với thùng, một đầu bịt bằng một đĩa thủy tinh Nếu vì lý do nào đó, áp xuất dầu trong thùng tăng lên đột ngột, đĩa thủy tinh sẽ vỡ, dầu theo đó thoát ra ngoài để MBA không bị hỏng

+ Rơle dùng để bảo vệ MBA

+ Lỗ nhỏ để đặt nhiệt kế

+ Bộ truyền động cầu dao đổi nối các đầu điều chỉnh điện áp dây quấn cao

áp

Hình 2-4 Máy biến áp dầu ba pha

1 Móc vòng chuyển; 2 Sứ cao áp; 4 Sứ trung áp; 5 Sứ hạ áp; 7 Ống phòng nổ; 8.Bình giãn dầu; 10 Thước chỉ dầu; 12 Xà ép gông; 13 Bình hút ẩm; 16 Dây quấn cao áp; 18 Bộ lộc đối lưu; 22 Vỏ thùng; 23 Bộ tản nhiệt;

24 Cáp cấp điện cho động cơ; 25 Động cơ quạt gió làm mát; 26 Bộ truyền động chuyển mạch

2.3 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐỊNH MỨC CỦA MÁY BIẾN ÁP

Các đại lượng định mức của máy biến áp do xưởng chế tạo qui định để cho máy có khả năng làm việc lâu dài và tốt nhất Gồm các đại lượng sau:

+ Điện áp định mức

+ Dòng điện định mức

+ Công suất định mức

2.3.1 Điện áp định mức

- Điện áp sơ cấp U1đmlà điện áp qui định cho cuộn dây sơ cấp

- Điện áp thứ cấp U2đm là điện áp qui định cho cuộn dây thứ cấp

Với máy biến áp một pha điện áp định mức là điện áp pha (Upha), với máy biến

áp ba pha là điện áp dây (Udây) Đơn vị ghi trên nhãn máy thường là V, hoặc kV

2.3.2 Dòng điện định mức

Dòng điện định mức là dòng điện qui định cho mỗi dây quấn của máy biến áp, ứng với công suất định mức và điện áp định mức

+ Đối với máy biến áp một pha, dòng điện định mức là Ipha

+ Đối với máy biến áp ba pha, dòng điện định mức là Idây

Dòng điện sơ cấp định mức là I1đm, dòng điện thứ cấp định mức là I2đm

Đơn vị ghi trên máy thường là A

Ngoài ra trên nhãn MBA còn có ghi các số liệu khác như: tần số fđm, số pha m,

sơ đồ và tổ nối dây

2.4 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP

Khảo sát máy biến áp 1 pha hai

dây quấn như hình 2-5, dây quấn sơ

cấp có W1 vòng dây, dây quấn thứ

cấp có W2 vòng

Đặt vào dây quấn sơ cấp một

điện áp xoay chiều hình sin u1, trong

đó sẽ có dòng điện xoay chiều i1,

dòng điện này sẽ tạo ra từ thông

xoay chiều Φ, từ thông chạy trong

mạch từ sẽ móc vòng đồng thời qua 2 cuộn dây sơ cấp và thứ cấp cảm ứng trong chúng các sức điện động e1, e2

Nếu máy biến áp không tải thì điện áp tại thứ cấp bằng sức điện động e2

U20 = e2

Nếu thứ cấp được nối với phụ tải Zt, dưới tác động trong dây quấn thứ cấp sẽ

có dòng điện i2 Khi đó từ thông chính do đồng thời cả hai dòng sơ cấp và thứ cấp sinh ra

Giả sử, biểu thức của từ thông chính trong mạch từ là:

Hình 2-5 Sơ đồ nguyên lý của mba

một pha hai dây quấn

Nghĩa là tỷ số điện áp sơ cấp và thứ cấp đúng bằng tỷ số vòng dây

+ Đối với máy tăng áp: U2 > U1; w2 > w1

+ Đối với máy giảm áp: U2 < U1; w2 < w1

Như vậy dây quấn sơ cấp và thứ cấp không trực tiếp liên hệ với nhau về điện, nhưng nhờ có từ thông chính, năng lượng đã được truyền từ dây quấn sơ cấp sang thứ cấp

Nếu bỏ qua tổn hao trong máy biến áp, có thể coi gần đúng, quan hệ giữa các đại lượng sơ cấp và thứ cấp như sau:

2.5 MÔ HÌNH TOÁN & SƠ ĐỒ THAY THẾ CỦA MÁY BIẾN ÁP

2.5.1 Quá trình điện từ trong máy điện

Ngoài từ thông chính  chạy trong lõi thép như đã nói ở trên, trong máy biến

áp còn có từ thông tản Từ thông tản không chạy trong lõi thép mà chạy tản ra

trong không khí, các vật liệu cách điện

Từ thông tản khép mạch qua các vật liệu không sắt từ, có độ dẫn từ kém, do đó

từ thông tản nhỏ hơn rất nhiều so với từ thông chính Từ thông tản chỉ móc vòng riêng rẽ với mỗi dây quấn

Từ thông tản móc vòng sơ cấp ký

hiệu là ψt1 do dòng điện sơ cấp i1 gây

ra Từ thông tản móc vòng thứ cấp ký

hiệu là ψt2 do dòng điện sơ cấp i2 gây

ra Từ thông tản được đặt trưng bằng

ψ

L = i

2.5.2 Phương trình điện áp phía sơ cấp

Xét mạch điện sơ cấp (hình 2-7), gồm điện áp u1, sức điện động e1, điện trở dây quấn sơ cấp R1, điện cảm tản sơ cấp L1 Áp dụng định luật Kirchoff 2 ta có phương trình điện áp sơ cấp viết dưới dạng trị số tức

Z = R + jX 1 1 1 là tổng trở phức dây quấn sơ cấp

X = ωL1 1 là điện kháng tản dây quấn sơ cấp

2.5.3 Phương trình điện áp phía thứ cấp

Mạch điện thứ cấp (hình 2-8), gồm

sức điện động e2, tổng trở dây quấn thứ

cấp R2, điện cảm tản dây quấn thứ cấp L2,

tổng trở tải Zt Áp dụng định luật Kirchoff

2 ta có phương trình điện áp thứ cấp viết

Z I thường rất nhỏ, nên có thể gần đúng U•1  - E•1 và về trị số cũng vậy U1 = E1

Vì điện áp đặt vào biến áp U1 không đổi nên E1 = 4,44fW1Φmax cũng không đổi

Ở chế độ không tải (I2 = 0), dòng điện sơ cấp lúc này là dòng không tải I0 nên sức từ động sơ cấp là i0W1 sinh ra từ thông chính

Khi máy biến áp mang tải (I2 ≠ 0), lúc này sức từ động của máy là i1W1 + i2W2sinh ra từ thông chính của máy

Vì điện áp lưới điện đặt vào máy biến áp U1 không đổi, cho nên sức điện động

E1không đổi và từ thông chính Фmax sẽ không đổi, dẫn đến sức từ động không tải bằng sức từ động lúc có tải Do đó ta có phương trình sức từ động dưới dạng tức thời như sau:

Hệ ba phương trình (2-15), (2-17), (2-20) là hệ phương trình cân bằng điện áp

và từ của máy biến áp viết dưới dạng phức

2.5.5 Sơ đồ thay thế máy biến áp

Để xây dựng sơ đồ thay thế, trước hết cần thực hiện một số biến đổi toán học

a Quy đổi các đại lượng thứ cấp về sơ cấp

Do hai cuộn dây sơ cấp và thứ cấp liên hệ với nhau qua mạch từ, cho nên muốn xây dựng được mạch điện thay thế, ta phải thực hiện phép quy đổi từ phía thứ cấp về sơ cấp

Nhân hai vế của phương trình (2-22) với k, sẽ có:

U ' = k U• 2 •2 (2-25)

Z' = k Z  R = k R ; X = k X (2-26)

gọi là phương trình điện áp thứ cấp quy đổi về sơ cấp

Hệ ba phương trình cân bằng điện áp và từ của máy biến áp lúc này là:

b Thiết lập sơ đồ thay thế máy biến áp

Trong phương trình (2-29), Z1I1 là điện áp rơi trên tổng trở dây quấn Z1 và

(-E1) chính là điện áp rơi trên tổng trở Zth đặc trưng cho từ thông chính và tổn hao sắt từ Vì từ thông chính do dòng điện không tải I0sinh ra nên ta có thể viết:

-E = (R + jX ) I = Z I•1 th th •0 th 0• (2-32)

Với Z = (R + jX ) th th th là tổng trở từ hóa đặc trưng cho mạch từ

Rthlà điện trở từ hóa đặc trưng cho tổn hao sắt từ

st th 0

ΔP = R I

Xthlà điện kháng từ hóa đặc trưng cho từ thông chính Φ

Thay (2-32) vào hệ các phương trình (2-29), (2-30), (2-31) ta được:

U = Z I - Z I•1 1 1• th •0 (2-33)

U ' = Z I - Z' I '• 2 1 0• 2 • 2 (2-34)

I = I - I '•1 •0 • 2 (2-35)

Theo định luật kirchoff 1 và 2 thì hệ ba phương trình này chính là viết cho đoạn mạch có 2 nút và 3 nhánh (hoặc 2 vòng) như hình 2-9

Hình 2-9 Sơ đồ thay thế máy biến áp

Thông thường tổng trở nhánh từ hóa rất lớn, dòng điện I0 nhỏ, do đó có thể bỏ nhánh từ hóa và có thể thay thế sơ đồ gần đúng (hay còn gọi là đơn giản) của máy biến áp như hình 2-10

Hình 2-10 Mạch điện thay thế đơn giản của máy biến áp

X =X +X là điện kháng ngắn mạch của máy biến áp

2.6.1 Chế độ không tải của máy biến áp

a Chế độ không tải của máy biến áp

+ Chế độ không tải của máy biến áp là

trạng thái cuộn sơ cấp được nối vào 1 điện áp

xoay chiều U1, cuộn thứ cấp để hở mạch, như

vậy dòng điện thứ cấp bằng 0 (I2 = 0), lúc này

dòng điện sơ cấp gọi là dòng điện không tải I0

+ Phương trình cân bằng điện áp là:

U = I Z - E = I (Z +Z ) = Z I•1 •0 1 •1 •0 1 th 0 0• (2-36)

Với Z = (Z + Z ) 0 1 th là tổng trở máy biến áp không tải

Sơ đồ thay thế máy biến áp không tải như hình 2-11

Từ phương trình (2-36) ta tính được dòng điện không tải I0:

Vì vậy, khi sử dụng không nên để máy biến áp chạy không tải hoặc non tải

b Thí nghiệm không tải của máy biến áp

Để xác định hệ số biến áp k, tổn hao sắt từ và các thông số không tải của máy,

ta tiến hành thí nghiệm không tải như hình 2-12

Hình 2-12 Sơ đồ thí nghiệm không tải máy biến áp một pha

Khác với chế độ không tải, ở thí nghiệm không tải, đặt điện áp định mức (U1đm)

và dây quấn sơ cấp, thứ cấp hở mạch Các dụng cụ đo cho ta các số liệu sau:

Đồng hồ A là ampe kế chỉ dòng không tải I0;

W là oát kế chỉ công suất không tải P0= ΔPst;

2.6.2 Chế độ ngắn mạch của máy biến áp

a Chế độ ngắn mạch của máy biến áp

Chế độ ngắn mạch máy biến áp là chế độ mà phía thứ cấp bị nối tắt, sơ cấp đặt vào một điện áp

U1 như hình 2-13 Trong vận hành, nhiều nguyên

nhân làm máy biến áp bị ngắn mạch như hai dây dẫn phía thứ cấp chập vào nhau, rơi xuống đất hoặc nối với nhau bằng tổng trở đất rất nhỏ Đó là tình trạng ngắn mạch sự cố, cần tránh

Khi máy biến áp ngắn mạch U2 = 0, mạch điện thay thế máy biến áp như hình 2-13 Dòng điện sơ cấp I•1 lúc này gọi là dòng điện ngắn mạch I•n

Phương trình điện áp máy biến áp ngắn mạch:

Rn = R1 + R’2 là điện trở ngắn mạch máy biến áp

Xn = X1+ X’2là điện kháng ngắn mạch máy biến áp

Vì Zn là tổng trở ngắn mạch rất nhỏ, cho nên dòng điện ngắn mạch thường rất lớn bằng 10  25 lần dòng định mức Iđm Điều này rất nguy hiểm với các máy biến

áp đang vận hành và ảnh hưởng đến các phụ tải dùng điện Để tránh điều này người ta phải dùng các máy tự động cắt mạch ở cả hai phía khi bị sự cố ngắn mạch, quá tải,…

b Thí nghiệm ngắn mạch của máy biến áp

Để xác định tổn hao trên điện trở dây quấn sơ cấp và thứ cấp, và xác định các thông số sơ cấp và thứ cấp, ta tiến hành thí nghiệm ngắn mạch như hình 2-14

Hình 2-14 Sơ đồ thí nghiệm ngắn mạch

Các dụng cụ đo cho ta các số liệu sau:

A1là ampe kế đo dòng In = I1đm;

W là oát kế chỉ công suất ngắn mạch Pn;

A2là ampe kế đo dòng thứ cấp I2;

V là vôn kế để đo Un

Khác với chế độ ngắn mạch, ở thí nghiệm ngắn mạch, dây quấn thứ cấp được nối ngắn mạch, dây quấn sơ cấp không phải đặt điện áp U1 như bình thường mà nối với bộ điều chỉnh điện áp Nhờ bộ điều chỉnh điện áp ta có thể điều chỉnh điện áp đưa vào dây quấn sơ cấp sao cho dòng điện trong dây quấn sơ cấp bằng dòng điện định mức (I1 = Iđm) Điện áp đó ký hiệu là Un gọi là điện áp ngắn mạch, thường được tính theo phần trăm của điện áp sơ cấp định mức U1đm

số dây quấn trong sơ đồ thay thế

+ Tổng trở ngắn mạch:

n 1đm

Từ các thông số xác định bằng thí nghiệm ngắn mạch, ta có thể tính các thông

số của máy bằng các công thức gần đúng sau:

R

R =

' 2

Các công thức trên cho phép ta tính được Zn, Rn, Xn, Sđm theo trị số của Un%,

UnR%, UnX%thường ghi ở trên nhãn máy

2.6.3 Chế độ có tải của máy biến áp

Để đánh giá mức độ tải của máy biến áp, người ta đưa ra hệ số tải ứng với

kt> 1: máy bị quá tải

Dưới đây, ta dựa vào hệ phương trình và sơ đồ thay thế để nghiên cứu một số đặc tính của máy biến áp khi mang tải

a Sự thay đổi điện áp thứ cấp

Máy biến áp có tải, nếu tải có sự thay đổi thì điện áp đặt lên phụ tải (điện áp thứ cấp của máy biến áp) có sự thay đổi Khi điện áp đặt vào sơ cấp là định mức,

độ biến thiên điện áp thứ cấp ΔU2 là:

Hình 2-16 Xác định độ biến thiên của máy biến áp

Từ đồ thị véctơ (hình 2-16), ta chiếu U 1lên phương U' 2 Vì góc lệch pha giữa

HC AK sin  φt  I X sin φ1 n t

ta được: