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
KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN
CÁC ĐỊNH LUẬT ĐIỆN TỪ DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN
Trong nghiên cứu máy điện, các định luật quan trọng nhất gồm định luật cảm ứng điện từ, định luật lực điện từ và định luật mạch từ Những quy tắc này đóng vai trò cốt lõi trong việc phân tích và thiết kế các máy điện, giúp hiểu rõ các quá trình cảm ứng điện từ, lực tác dụng và dòng điện trong mạch từ Áp dụng các định luật này là bước cơ bản để tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo hoạt động ổn định của máy điện trong thực tế.
1.1.1 Định luật lực điện từ
Lực điện từ có ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật, đóng vai trò nền tảng để chế tạo máy điện và khí cụ điện Thực nghiệm chứng minh rằng khi 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 Hiểu rõ đặc tính của lực điện từ là yếu tố quan trọng trong các thiết bị điện tử và hệ thống điện.
+ 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
F: lực điện từ (N). l: chiều dài tác dụng (m).
B: cường độ từ cảm (T). i: cường độ dòng điện (A).
Phương và chiều lực điện từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái, trong đó ngửa bàn tay trái sao cho đường sức từ hoặc véc-tơ từ cảm B đi xuyên qua lòng bàn tay, và bốn ngón tay duỗi thẳng theo chiều dòng điện Ngón tay cái sẽ chỉ chiều của lực điện từ trong mỗi trường hợp.
Trường hợp dây dẫn không đặt vuông góc mà lệch nhau một góc ≠ 90 0 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, Lenx, đã phát hiện ra quy luật về chiều của sức điện động cảm ứng, mở đường cho định luật cảm ứng điện từ Khi từ thông Φ biến thiên qua một vòng dây, nó gây ra một sức điện động cảm ứng trong dây, có chiều sao cho dòng điện sinh ra chống lại sự biến thiên của từ thông ban đầu Định luật cảm ứng điện từ này có thể được mô tả bằng phương trình toán học, thể hiện rõ mối liên hệ giữa sự biến thiên từ thông và sức điện động cảm ứng.
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 = -W d Φ = - dΨ dt dt (1-4)
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 thanh dẫn sẽ cảm ứng sức điện động e và có trị số: e = B.l.v (1-5)
B: cường độ từ cảm (T). l: chiều dài hiệu dung của thanh dẫn (m) v: vận tốc thanh dẫn (m/s).
Hình 1-2 Quy tắc vặn nút chai
Hình 1-3 Quy tắc bàn tay phải
Chiều dài của sức điện động cảm ứng được xác định dựa trên quy tắc bàn tay phải Ngửa bàn tay phải sao cho đường sức từ (hoặc vectơ từ cảm B) xuyên qua lòng bàn tay, sau đó duỗi thẳng ngón cái theo chiều quay của thanh dẫn Các ngón còn lại duỗi ra sẽ chỉ chiều của sức điện động e, giúp xác định hướng của suất điện động trong dây dẫn một cách chính xác.
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 vớicuộn dây là:
= W.Φ (1-6) Điện cảm L của cuộn dây được định nghĩa là:
L = Ψ = W.Φ i i (1-7) 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). e = - L d Ψ = -L di dt dt (1-8) Điện áp rơi trên cuộn dây: u = -e = L L L di dt (1-9)
Công suất trên cuộn dây: p = u i = L.i L L di dt (1-10)
Năng lượng từ trường tích lũy trong cuộn dây: t t
Như vậy điện cảm L đặc trung cho khả năng tích lũy năng lượng từ trường của cuộn dây. b Hỗ cảm
Hiện tượng hỗ cảm là sự xuất hiện của từ trường trong cuộn dây do dòng điện biến thiên trong cuộn dây khác tạo ra, gây ra sự liên hệ hỗ cảm giữa các cuộn dây Trong hình 1-5, có hai cuộn dây có mối liên hệ hỗ cảm với nhau thông qua từ thông hỗ cảm, thể hiện rõ sự ảnh hưởng của dòng điện biến thiên đến từ trường của từng cuộn dây Hiện tượng hỗ cảm đóng vai trò quan trọng trong các mạch điện cảm, như biến cảm, máy biến áp và các thiết bị truyền tải điện năng hiệu quả Việc hiểu rõ về hỗ cảm giúp tối ưu hóa thiết kế các hệ thống điện và nâng cao hiệu suất truyền tải năng lượng.
2 do dòng điện i1tạo nên là:
M là hệ số hỗ cảm giữa hai cuộn dây Nếu i1biến thiên thì điện áp hỗ cảm của cuộn 2 do i1tạo nên là: u = 21 d Ψ 21 =Mdi 1 dt dt (1-13)
Tương tự điện áp hỗ cảm của cuộn 1 do dòng điện i2tạo nên là: u = 12 d Ψ 12 =Mdi 2 dt dt (1-14)
Cũng như điện cảm L, đơn vị của hỗ cảm là Henry (H) Hỗ cảm M được ký hiệu như sơ đồ (hình 1-6a, 1-6b) và dùng cách đánh dấu một cực cuộn dây bằng dấu sao () hay dấu () để dễ xác định dấu của phương trình (1-13) và (1-14) Đó 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 dâyvà vị trí của các cuộn dây có hỗ cảm.
ĐỊNH NGHĨA & PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN
Máy điện là thiết bị điện từ hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, giúp biến đổi năng lượng hiệu quả Cấu tạo của máy điện gồm mạch từ (lõi thép) và mạch điện (dây quấn), đảm bảo chức năng chuyển đổi năng lượng giữa cơ năng và điện năng Máy phát điện sử dụng để biến cơ năng thành điện năng, trong khi động cơ điện chuyển đổi điện năng thành cơ năng Ngoài ra, máy điện còn có khả năng biến đổi các thông số điện như điện áp, dòng điện, tần số và số pha nhằm phù hợp với nhu cầu sử dụng.
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
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 hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, khi các thông số điện năng được biến đổi mà không cần sự chuyển động tương đối giữa các cuộn dây Thường được sử dụng để biến đổi các thông số điện như điện áp, dòng điện trong các thiết bị như máy biến áp, giúp chuyển đổi điện áp xoay chiều phù hợp với nhu cầu sử dụng Máy điện tĩnh thường được phân loại dựa trên chức năng và cấu tạo, như máy biến áp, biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp khác nhau để phù hợp với hệ thống điện.
+ 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.
+ Máy biến áp một pha.
Hình 1-7 Biểu diễn tính thuận nghịch của máy biến áp. b Máy điện quay
Nguyên lý hoạt động của máy điện dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, nơi lực điện từ do từ trường và dòng điện của các cuộn dây có chuyển động tương đối gây ra Các loại máy điện phổ biến thường được sử dụng để biến đổi các dạng năng lượng, như biến đổi cơ năng thành điện năng trong máy phát điện hoặc biến đổi điện năng thành cơ năng trong động cơ điện Quá trình chuyển đổi năng lượng trong máy điện mang tính chất thuận nghịch, cho phép máy hoạt động linh hoạt trong nhiều ứng dụng Máy điện quay được phân loại dựa trên nguyên lý và cấu tạo nhằm phù hợp với từng mục đích sử dụng khác nhau.
+ Máy điện không đồng bộ (MKĐB):
- Động cơ không đồng bộ (ĐKĐB).
- Máy phát không đồng bộ (MFKĐB)
+ Máy điện đồng bộ (MĐB):
- Động cơ đồng bộ (ĐĐB).
- Máy phát đồng bộ (MFĐB).
- 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.
NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC MÁY PHÁT ĐIỆN & ĐỘNG CƠ 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
Động cơ sơ cấp hoạt động dựa trên lực cơ học Fcơ tác dụng lên thanh dẫn, làm cho thanh dẫn chuyển động với tốc độ v trong từ trường của nam châm N-S Khi thanh dẫn cảm ứng sức điện động e do biến đổi từ trường, nếu nối vào hai cực của thanh dẫn một điện trở R tải, dòng điện i sẽ chạy trong mạch và cung cấp năng lượng cho tải Trong trường hợp bỏ qua điện trở của thanh dẫn, điện áp đặt lên tải là u = e, và công suất điện của máy phát cung cấp cho tải được tính bằng công thức: p = ui = ei(1-15).
Hình 1-9 Nguyên lý làm việc c ủa 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 = F đt , máy sẽ quay đều
Nhân hai vế của biểu thức trên với tốc độ v ta có:
Công suất cơ của động cơ sơ cấp (Pcơ) được tính bằng tích của lực cơ (F cơ) và vận tốc (v), hay thể hiện qua công thức F đt v = B.i.l.v = e.i Điều này có nghĩa là, công suất cơ của động cơ chuyển đổi thành công thành công suất điện (Pđ), được tính bằng điện áp (e) nhân với dòng điện (i), thể hiện quá trình biến đổi cơ năng thành điện năng trong máy phát điện.
1.3.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện
Dòng điện i chạy trong thanh dẫn khi cung cấp điện cho máy phát điện do điện áp u của nguồn điện tạo ra Dưới tác dụng của từ trường, lực điện từ sẽ tác động lên dòng điện này, góp phần duy trì hoạt động của máy phát điện hiệu quả.
F đt = B.l.i tác dụng lên thanh dẫn chuyển động với tốc độ v có chiều như hình 1-10
Công suất điện Pđ được tính bằng tích của điện áp u và cường độ dòng điện i, thể hiện năng lượng điện cung cấp cho động cơ Năng lượng điện này đã được chuyển đổi thành công suất cơ Pcơ, bằng tích của phản lực đẩy F đt và vận tốc v của trục động cơ Như vậy, quá trình này mô tả rõ cách năng lượng điện biến đổi thành năng lượng cơ, đảm bảo hiệu suất vận hành của động cơ.
1.3.3 Tính thuận nghịch của máy điện
Trong các mục (1.3.1) và (1.3.2), ta nhận thấy rằng cùng một thiết bị điện từ (thanh dẫn đặt trong từ trường nam châm N-S) có thể hoạt động ở chế độ máy phát điện hoặc động cơ điện, tùy thuộc vào nguồn năng lượng cung cấp (cơ năng hoặc điện năng), điều này thể hiện tính thuận nghịch của máy điện Tính thuận nghịch là đặc điểm chung của mọi loại máy điện, cho phép chúng hoạt động linh hoạt theo chế độ phát hoặc tiêu thụ điện năng.
CÁC LOẠI VẬT LIỆU CHẾ TẠO MÁY ĐIỆN
Vật liệu chế tạo máy điện gồm: vật liệu dẫn điện, vật liệu dẫn từ, vật liệu cách điện, vật liệu kết cấu.
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 tốt nhất trong máy điện là đồng do có điện trở suất thấp và giá thành hợp lý, đảm bảo hiệu suất truyền điện năng tối ưu Ngoài ra, nhôm và các hợp kim như đồng thau, đồng phốt pho cũng thường được sử dụng do đặc tính dẫn điện tốt và phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật khác trong công nghiệp điện.
Trong các bộ phận như vành đổi chiều, lồng sóc, hoặc vành trượt, ngoài việc sử dụng đồng, nhôm, còn có các hợp kim của đồng hoặc nhôm để nâng cao tính năng kỹ thuật Ngoài ra, một số nơi còn dùng thép để tăng độ bền cơ học và giảm lượng kim loại màu trong sản phẩm.
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.
- 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.
- Độ bền vững về nhiệt 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:
+ Chất hữu cơ thiên nhiên như giấy, vải lụa.
+ Chất vô cơ như amiăng, mica, sợi thủy tinh
+ 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 điện Vật liệu Nhiệt độ giới hạn cho phép vật liệu
Nhiệt độ trung bình cho phép dây quấn ( 0 C)
A Sợi xenlulô, bông hoặc tơ tẩm trong vật liện cơ lỏng 105 100
E Vài loại màng tổng hợp 120 115
B Amiăng, sợi thủy tinh có chất kết dính và vật liệu gốc mica 130 120
Amiăng, vật liệu gốc mica, sợi thủy tinh có chất kết dính và tẩm tổng hợp.
Vật liệu gốc mica, amiăng, sợi thủy tinh phối hợp chất kết dính và tẩm silic hữu cơ.
Ngoài ra còn có chất cách điện ở thể khí (không khí, hydro) hoặc thể lỏng (dầu máy biến áp).
Vật liệu kết cấu đóng vai trò quan trọng trong việc chế tạo các chi tiết chịu tác động cơ học như trục, ổ trục, vỏ máy và nắp máy trong các thiết bị công nghiệp Trong ngành máy điện, các vật liệu phổ biến gồm gang, thép lá, thép rèn, kim loại màu và hợp kim của chúng, cùng với các chất dẻo cao cấp Chọn lựa vật liệu kết cấu phù hợp đảm bảo độ bền, chịu lực tốt và nâng cao hiệu suất hoạt động của máy điện.
PHÁT NÓNG & LÀM MÁT MÁY ĐIỆN
Trong quá trình biến đổi năng lượng của môđun thành nhiệt năng để làm nóng các bộ phận cấu tạo, xảy ra tổn thất lớn dẫn đến máy càng nóng hơn khi hoạt động ở tải trọng nặng Nhiệt độ của môđun phụ thuộc vào chế độ làm việc như liên tục, ngắn hạn hoặc ngắn hạn lặp lại, và cần tuân thủ các giới hạn về kích thước và chế độ vận hành để đảm bảo an toàn và hiệu quả Khi thiết bị được tản nhiệt tốt ra môi trường, công suất hoạt động của máy sẽ tăng, khả năng mang tải sẽ được nâng cao, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và hiệu suất làm việc.
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.
Chế độ làm việc khác nhau ảnh hưởng đến quá trình phát nhiệt của MĐ Do đó, MĐ cần được thiết kế phù hợp với từng chế độ cụ thể để các bộ phận phát nhiệt phù hợp với vật liệu sử dụng Việc tùy chỉnh chế độ làm việc giúp tối ưu hóa hiệu quả và đảm bảo an toàn cho hệ thống.
Một số dạng sau đây:
Chế độ làm việc định mức liên tục: Ở chế độ này, nhiệt độ tăng của máy phát đạt tới giá trị xác lập (với điều kiện tăng nhiệt độ của môi trường không đổi).
Chế độ làm việc định mức ngắn hạn:
Thời gian hoạt động của máy không đủ lâu để các bộ phận đạt tới nhiệt độ xác lập, dẫn đến hiệu suất làm việc bị giới hạn Sau đó, máy nghỉ đủ lâu để nhiệt độ các bộ phận giảm xuống bằng nhiệt độ môi trường xung quanh, ảnh hưởng đến khả năng làm việc liên tục của thiết bị.
Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại:
Trong một chu kỳ hoạt động và nghỉ, thời gian vận hành của máy không đủ dài để các bộ phận đạt đến nhiệt độ xác lập, ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc của thiết bị Chế độ vận hành này được xác định bởi tỷ lệ giữa thời gian làm việc và tổng thời gian của một chu kỳ, với các tỷ lệ phổ biến là 15%, 25%, 40% và 60% Các tỷ lệ này giúp điều chỉnh quá trình hoạt động của máy phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và tiết kiệm năng lượng Việc lựa chọn tỷ lệ phù hợp giúp duy trì sự ổn định của nhiệt độ, nâng cao hiệu quả vận hành và tuổi thọ của thiết bị trong các điều kiện làm việc khác nhau.
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 có cấu trúc phức tạp với nhiều bộ phận hình dạng khác nhau, được làm lạnh bằng các vật liệu có độ dẫn nhiệt không đồng đều Trong quá trình hoạt động, nhiệt độ của lõi thép và dây quấn không bằng nhau do sự trao đổi nhiệt giữa các bộ phận trong máy Ngoài ra, nhiệt độ của chất làm lạnh ở mỗi khu vực trong thiết bị cũng có sự khác biệt đáng kể Các kiểu cấu tạo của máy điện đa dạng, phản ánh sự phức tạp trong thiết kế và hoạt động của chúng nhằm tối ưu hiệu suất làm việc và độ bền của các bộ phận.
Kiểu cấu tạo của máy điện phụ thuộc vào phương pháp bảo vệ máy đối với môi trường bên ngoài Cấp bảo vệ được ký hiệu bằng mã IP theo sau là hai chỉ số, trong đó chữ số thứ nhất là , thể hiện mức độ chống bụi và tác động vật lý, còn chữ số thứ hai là P, phản ánh khả năng chống nước và các yếu tố môi trường ẩm ướt.
+ 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, được đánh số từ 0 đến 8 để thể hiện mức độ bảo vệ chống nước của thiết bị Trong đó, số 0 trong tiêu chuẩn IP chỉ ra rằng máy không có khả năng chống nước nào cả Các cấp độ này phản ánh cấu tạo và khả năng chống thấm nước của thiết bị, giúp người dùng chọn lựa phù hợp với từng môi trường sử dụng.
Kiểu hở là loại thiết bị không có bộ phận che chắn nhằm ngăn các vật thể từ bên ngoài tiếp xúc trực tiếp với phần quay hoặc các bộ phận dẫn điện của nó Thường được sử dụng trong các nhà máy hoặc phòng thí nghiệm, kiểu hở không có khả năng chống ẩm, phù hợp với cấp độ IP00 Việc chọn lựa kiểu hở phù hợp giúp đảm bảo hiệu quả vận hành trong môi trường khô ráo, an toàn và dễ bảo trì.
- 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 là loại máy có vỏ bọc cách biệt với môi trường bên ngoài, phù hợp sử dụng ở những nơi ẩm ướt hoặc ngoài trời Mức độ kín của máy được đánh giá dựa trên tiêu chuẩn chống bụi, chống nước, với cấp bảo vệ từ IP44 trở lên để đảm bảo an toàn và độ bền cao Các phương pháp làm lạnh máy điện đa dạng, giúp duy trì hiệu suất làm việc ổn định, phù hợp với nhiều điều kiện hoạt động khác nhau.
- 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 ở đầu trục thổi vào bên trong máy, giúp tăng hiệu quả làm lạnh Đối với các máy có công suất nhỏ và chiều dài dưới 200-250 mm, luồng gió chỉ thổi dọc theo trục qua khe hở giữa Stato và Rôto, cũng như qua các rãnh thông gió dọc trục ở lõi thép của Stato và Rôto (Hình 1.11) Thiết kế này đảm bảo luồng khí được phân bổ đều, tối ưu hóa quá trình làm lạnh và vận hành ổn định của máy.
Khi công suất máy lớn và chiều dài của máy tăng, nhiệt độ dọc theo chiều dài không đều, gây khó khăn trong quá trình làm mát Để khắc phục, cần tạo các rãnh thông gió ngang trục giúp lưu thông không khí hiệu quả hơn Lõi thép được chia thành các đoạn dài khoảng 4 cm, cách nhau khoảng 1 cm để tối ưu hóa quá trình phân phối gió Gió sẽ đi vào hai đầu của máy qua các rãnh ngang trục, thoát ra ở giữa thân máy và rồi quay trở lại hai đầu, đảm bảo làm mát đều và ổn định máy móc (Hình 1.12).
Máy điện tự làm lạnh mặt ngoài là loại máy kín, giúp tối ưu hiệu quả làm lạnh và tiết kiệm năng lượng Phần đầu trục bên ngoài của máy được lắp đặt quạt gió cùng nắp quạt nhằm hướng thổi gió dọc theo bề mặt ngoài của thân máy, đảm bảo luồng khí lưu thông hiệu quả và ổn định hoạt động của thiết bị.
MÁY BIẾN ÁP
KHÁI NIỆM CHUNG
2.1.1 Vai trò 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:
Và tổn hao công suất 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.
Điện áp truyền tải cao giúp giảm dòng điện trên đường dây, từ đó giảm trọng lượng và chi phí dây dẫn, tiết kiệm kim loại màu và giảm tổn hao năng lượng Để truyền công suất lớn đi xa với ít tổn hao, thường sử dụng điện áp cao như 35kV, 110kV, 220kV, 500kV, trong khi các máy phát điện chỉ phát ra điện áp từ 3-21kV, cần thiết bị tăng điện áp ở đầu đường dây Ngược lại, các hộ tiêu thụ yêu cầu điện áp thấp từ 0,4-6kV, do đó cuối đường dây cần thiết bị giảm điện áp Máy biến áp (MBA) đóng vai trò là thiết bị tăng hoặc giảm điện áp phù hợp cho đầu và cuối đường dây, đảm bảo truyền tải hiệu quả và an toàn.
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.
CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP
Máy biến áp có các bộ phận chính sau đây:
2.2.1 Lõi thép máy biến áp
Hình 2-2 1) Trụ từ; 2) Gông từ.
Lõi thép máy biến áp dùng để dẫn từ thông chính của máy, được chế tạo từ những vật liệu dẫn từ tốt, thường là thép kỹ thuật điện có bề dầy 0,35 1 mm, mặt ngoài lá thép có sơn cách điện rồi ghép lại với nhau thành lõi thép Lõi thép gồm hai thành phần: tr ụ 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
Dây quấn máy biến áp có nhiệm vụ nhận năng lượng vào và truyền năng lượng ra, được chế tạo bằng dây đồng hoặc nhôm có tiết diện tròn hoặc chữ nhật, bên ngoài bọc cách điện Các dây quấn gồm nhiều vòng dây lồng vào trụ lõi thép, được cách điện với nhau và với lõi thép để đảm bảo an toàn và hiệu quả hoạt động Thường thì máy biến áp có hai hoặc nhiều dây quấn, trong đó dây quấn thấp áp đặt sát trụ thép, còn dây quấn cao áp lồng ra ngoài để giảm thiểu vật liệu cách điện và tối ưu hóa không gian.
Hình 2-3 Dây quấn: a) Một pha; b,c) Ba pha
Vỏ máy làm bằng thép gồm hai bộ phận: thùng máy và nắp máy.
Thùng MBA (hình 2-4) là nơi chứa lõi thép, dây quấn và dầu biến áp, đóng vai trò quan trọng trong việc cách điện và tản nhiệt Dầu biến áp giúp làm mát các bộ phận bên trong và giữ cho nhiệt lượng do tiêu hao của máy biến áp thoát ra khỏi hệ thống Nhờ sự đối lưu trong dầu và quá trình truyền nhiệt từ các bộ phận nóng sang dầu, nhiệt lượng được giải phóng ra môi trường bên ngoài một cách hiệu quả.
Nắp thùng MBA: Dùng để đậy trên thùng và trên đó có các bộ phận quan trọng như:
Dây quấn cao áp và dây quấn hạ áp đóng vai trò chính trong việc cách điện của máy biến áp, đảm bảo an toàn và hiệu quả hoạt động Bình giãn dầu (bình dầu phụ) được trang bị ống thủy tinh để dễ dàng quan sát và kiểm tra mức dầu, góp phần duy trì hoạt động ổn định của thiết bị.
Ống bảo hiểm bằng thép thường được thiết kế hình trụ nghiêng, gồm một đầu nối với thùng chứa dầu và một đầu bịt kín bằng đĩa thủy tinh Khi áp suất dầu trong thùng tăng đột ngột do nguyên nhân nào đó, đĩa thủy tinh sẽ vỡ, giúp thoát dầu ra ngoài và bảo vệ MBA khỏi 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 quy định nhằm đảm bảo khả năng vận hành lâu dài và tối ưu của thiết bị Những thông số này bao gồm các chỉ tiêu kỹ thuật cần thiết để máy biến áp hoạt động hiệu quả và ổn định trong thời gian dài Việc xác định các đại lượng định mức chính xác giúp đảm bảo hiệu suất làm việc của máy biến áp trong các điều kiện sử dụng khác nhau Do đó, các đại lượng này đóng vai trò quan trọng trong quá trình thiết kế, sản xuất và vận hành máy biến áp.
- Điện áp sơ cấp U1đmlà điện áp qui định cho cuộn dây sơ cấp.
- Điện áp thứ cấp U2đmlà điện áp qui định cho cuộn dây thứ cấp.
Máy biến áp một pha có điện áp định mức là điện áp pha (Upha), trong khi máy biến áp ba pha có điện áp dây (Udây) Các đơn vị ghi trên nhãn của máy thường là Volt (V) hoặc Kilovolt (kV), giúp người sử dụng dễ dàng xác định và đánh giá công suất của thiết bị.
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 sơcấp định mức là I1đm, dòng điện thứ cấp định mức là I2đm Đơn vị ghi trên máy thường là A.
Công suất định mức của máy biến áp là công suất biểu kiến định mức (S đm ), đơn vị là VA, kVA.
- Đối với máy biến áp một pha công suất định mức là:
- Đối với máy biến áp ba pha công suất định mức là:
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 CỦAMÁY BIẾN ÁP
Máy biến áp một pha hai dây quấn gồm dây quấn sơ cấp W1 và dây quấn thứ cấp W2, như hình 2-5 Khi đặt vào dây quấn sơ cấp một điện áp xoay chiều u1, dòng điện xoay chiều i1 sẽ chạy qua, tạo ra từ thông xoay chiều Φ Từ thông này chạy trong mạch từ và móc vòng qua cả hai cuộn dây sơ cấp và thứ cấp, cảm ứng trong chúng các sức điện động e1 và e2 Điều này giúp truyền năng lượng điện từ sơ cấp sang thứ cấp qua nguyên lý cảm ứng điện từ.
Nếu máy biến áp không tải thì điện áp tại thứ cấp bằng sức điện động e2
Khi thứ cấp của transformer được nối với tải Zt, dòng điện i2 sẽ xuất hiện trong dây quấn thứ cấp do tải tiêu thụ công suất Dòng điện này tạo ra từ thông phụ trong máy biến áp, đồng thời với từ thông chính do dòng sơ cấp sinh ra, gây ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị Hiểu rõ mối quan hệ giữa dòng sơ cấp, dòng thứ cấp và từ thông chính là yếu tố quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất vận hành của máy biến áp theo các nguyên tắc kỹ thuật.
Giả sử, biểu thức của từ thông chính trong mạch từ là: Φ = Φ msint
Theo định luật cảm ứng điện từ, các sức điện động e1, e2được xác định: e = -W 1 1 d Φ dt (2-5)
Giá trị hiệu dụng của các sức điện động:
Từ (2-5) và (2-6): e = -W 1 1 d( Φ sinωt) m = - ωW Φ cosωt 1 m dt e = 1 ωW Φ sin(ωt - ) 1 m π
Hình 2-5 Sơ đồ nguyên lý của mba một pha hai dây quấn e = 2 ωW Φ sin(ωt - ) 2 m π
Như vậy sức điện động cảm ứng chậm pha sau từ thông trong mạch từ một góc π/2 (90 0 ) Đặt: E1m = .W1.Φm= 2π.f.W1Φm
Nếu chia E1 cho E2 ta có được tỷ số biến áp: u 1 1
Nếu bỏ qua điện áp rơi trên dây quấn sơ cấp và thứ cấp thì:
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
Trong một máy biến áp, dây quấn sơ cấp và thứ cấp không có kết nối điện trực tiếp với nhau Tuy nhiên, thông qua từ thông chính, năng lượng được truyền từ dây quấn sơ cấp sang dây quấn thứ cấp một cách hiệu quả Đây là nguyên lý hoạt động chính giúp biến đổi điện áp và truyền tải công suất trong các hệ thống điện năng.
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 qua các vật liệu không sắt từ có độ dẫn từ kém, dẫn đến từ thông tản nhỏ hơn nhiều so với từ thông chính trong hệ thống Từ thông tản chỉ tạo thành các vòng riêng biệt với từng dây quấn, ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động của máy biến áp hoặc các thiết bị điện từ khác nhỏ hơn đáng kể Hiểu rõ về từ thông tản giúp tối ưu hóa thiết kế vật liệu và cải thiện hiệu suất sử dụng trong các mạch điện từ.
Từ thông tản móc vòng sơ cấp, ký hiệu là ψt1, được tạo ra bởi dòng điện sơ cấp i1 Trong khi đó, từ thông tản móc vòng thứ cấp, ký hiệu là ψt2, do dòng điện sơ cấp i2 gây ra Từ thông tản được đặc trưng bởi điện cảm tản, phản ánh khả năng chống biến thiên của từ thông qua tản.
+ Điện cảm tản dây quấn sơ cấp, thứ cấp L1, L2: t1
2.5.2 Phương trình điện áp phía sơ cấp
Mạch điện sơ cấp, như hình 2-7, gồm các thành phần chính là điện áp u1, sức điện động e1, điện trở dây quấn sơ cấp R1 và điện cảm tản sơ cấp L1 Áp dụng định luật Kirchoff thứ hai, ta thiết lập phương trình điện áp sơ cấp dựa trên các trị số tức thì của các tham số này.
Phương trình điện áp sơ cấp viết dưới dạng số phức:
Hình 2-7 Mạch điện sơ cấp Hình 2-6 Máy biến áp một pha làm việc có tải
Z = R + jX 1 1 1 là tổng trở phức dây quấn sơ cấp.
X = ωL 1 1 là điện kháng tản dây quấn sơ cấp.
2.5.3 Phương trình điện áp phía thứ cấp
CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC 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 khi cuộn sơ cấp được nối vào nguồn điện xoay chiều U1, trong khi cuộn thứ cấp mở mạch Trong điều kiện này, dòng điện thứ cấp bằng 0 (I2 = 0), và dòng điện sơ cấp gọi là dòng điện không tải I0 Đây là trạng thái khi máy biến áp không thực hiện quá trình truyền tải công suất, góp phần xác định các đặc tính và hiệu suất của máy biến áp trong hoạt động bình thường.
+ Phương trình cân bằng điện áp là:
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:
Tổng trở Z = (R + R₁) + (X + X₁) thường rất lớn, dẫn đến dòng điện không tải chỉ khoảng 2% đến 10% dòng điện định mức I₁đm Trong chế độ không tải, công suất phía thứ cấp bằng không, nhưng máy vẫn tiêu hao công suất P₀ do tổn hao trên điện trở dây quấn sơ cấp ΔPR₁ và tổn hao sắt từ ΔPst Vì dòng không tải I₀ rất nhỏ, nên có thể gần đúng xem ΔPst bằng P₀, giúp đơn giản hóa tính toán trong thiết kế và phân tích máy biến áp.
Khi không tải, công suất phản kháng không tải Q0 rất lớn so với công suất tác dụng P0, vì vậy hệ số công suất lúc không tải rất thấp.
Khi sử dụng máy biến áp, không nên để thiết bị chạy không tải hoặc non tải để tránh tổn thất năng lượng không cần thiết Thí nghiệm không tải của máy biến áp được thực hiện nhằm xác định hệ số biến áp k, tổn hao sắt từ và các thông số không tải, theo quy trình kỹ thuật như hình 2-12 Các kết quả từ thí nghiệm này giúp đánh giá chính xác hiệu suất và độ ổn định của máy biến áp trong quá trình vận hành.
Hình 2-12 Sơ đồ thí nghiệm không tải máy biến áp một pha.
Trong thí nghiệm không tải, điện áp định mức (U1đm) được đặt vào dây quấn sơ cấp và thứ cấp mở mạch, khác với chế độ không tải Các dụng cụ đo cho phép thu thập các số liệu quan trọng, trong đó đồng hồ A là ampe kế đo dòng không tải I0.
Hình 2-11 Mạch điện thay thế máy biến áp lúc không tải
W là oát kế chỉ công suất không tải P0= ΔPst;
V1là vôn kế để đo U1đm;
V2là vôn kế để đo U20
Từ thí nghiệm, ta được:
R0 = R1 + Rth, vì Rth >> R1nên gần đúng:
+ Hệ số công suất không tải:
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
Trong quá trình vận hành, nhiều nguyên nhân như dây dẫn phía thứ cấp chập nhau, chạm đất hoặc nối với nhau qua tổng trở đất rất nhỏ có thể gây ngắn mạch máy biến áp, như hình 2-13 đã trình bày Tình trạng ngắn mạch này là sự cố nguy hiểm cần được tránh để đảm bảo an toàn và độ tin cậy của hệ thống điện Các nguyên nhân gây ra ngắn mạch cần được phát hiện và khắc phục kịp thời để tránh hư hỏng thiết bị và mất điện không mong muốn.
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’2là điện trở ngắn mạch máy biến áp.
Xn = X1+ X’2là điện kháng ngắn mạch máy biến áp.
+ Dòng điện ngắn mạch là: n 1đm 1đm
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 = I 1đm ;
W là oát kế chỉ công suất ngắn mạch Pn;
Hình 2-13 Mạch điện thay thế máy biến áp lúc ngắn mạch
A2là ampe kế đo dòng thứ cấp I2;
V là vôn kế để đo Un
Trong thí nghiệm ngắn mạch, dây quấn thứ cấp được nối ngắn mạch, còn dây quấn sơ cấp không đặt điện áp U1 như bình thường mà kết nối với bộ điều chỉnh điện áp để điều chỉnh điện áp đưa vào sơ cấp Nhờ bộ điều chỉnh này, ta có thể điều chỉnh điện áp sao cho dòng điện trong dây quấn sơ cấp bằng dòng điện định mức (I1 = Iđm), và điện áp này gọi là Un, hay điện áp ngắn mạch Điện áp ngắn mạch thường được tính theo phần trăm của điện áp sơ cấp định mức U1đm.
Trong quá trình ngắn mạch, điện áp thứ cấp U2 bằng 0, khiến điện áp ngắn mạch Un chính là điện áp rơi trên tổng trở của dây quấn Vì điện áp ngắn mạch nhỏ, từ thông Φs cũng nhỏ và có thể bỏ qua tổn hao sắt từ, giúp đơn giản hóa tính toán Công suất đo được trong thí nghiệm ngắn mạch Pn phản ánh chính là tổn hao qua điện trở của cả dây quấn sơ cấp và thứ cấp Từ dữ liệu này, ta có thể xác định các thông số của dây quấn trong sơ đồ thay thế một cách chính xác để thiết kế và kiểm tra mạch điện.
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:
Từ đó, nếu biết hệ số biến áp k, có thể tính được các thông số của mạch thứ cấp:
+ Hệ số công suất ngắn mạch: n n n n n n 1đm
Điện áp ngắn mạch chia thành hai thành phần chính: điện áp ngắn mạch tác dụng (UnR), liên quan đến điện trở ngắn mạch Rn, và điện áp ngắn mạch phản kháng (UnX), liên quan đến điện kháng ngắn mạch Xn Hình 2-15b minh họa dạng tam giác tổng trở ngắn mạch, giúp hiểu rõ hơn về phân tích điện áp trong quá trình ngắn mạch.
Hình 2-15 Đồ thị tam giác ngắn mạch.
Quan hệ giữa điện áp Un (dưới dạng %) với Zn, Rn, Xn, S đm được biểu diễn bằng công thức sau: n% n 1đm n đm 2
Các công thức trên cho phép ta tính được Zn, Rn, Xn, S đm 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
I I k = I I kt= 1: tải định mức. kt< 1: máy bị non tải. 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 sẽ gây ra sự thay đổi điện áp thứ cấp khi tải thay đổi, ảnh hưởng đến mức điện áp đặt lên phụ tải Khi điện áp sơ cấp duy trì ở mức định mức, độ biến thiên điện áp thứ cấp ΔU2 được tính bằng công thức ΔU2 = U2đm – U2, giúp đo lường sự thay đổi điện áp trong hệ thống Độ biến thiên điện áp thứ cấp phần trăm phản ánh mức độ biến đổi của điện áp phụ thuộc vào tải, đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn cho thiết bị.
Nhân tử và mẫu với hệ số biến áp 1
2đm 1đm kU - kU U - U ΔU = 100% = 100% kU U (2-62)
Hình 2-16 Xác định độ biến thiên của máy biến áp.
Từ đồ thị véctơ (hình 2-16), ta chiếu U 1 lên phương U' 2 Vì góc lệch pha giữa
U 1 và U' 2 không lớn, nên gần đúngcó thể coi:
U 1đm U ' 2 AC AH HC mà: AH AKcos φ I R cosφ t 1 n t
HC AK sin φ I X sin φ t 1 n t ta được:
Nhân tử số của vế phải với 1đm
I , đưa I1đm vào trong ngoặc, ta được:
Ta được: ΔU2% = kt(UnR%cosφt + UnX%sinφt) (2-63)
Khi cosφt = const, ΔU2% tỉ lệ bậc nhất với kt và phụ thuộc tính chất của tải thể hiện trên hình 2-17
Hình 2-17 Quan hệ giữa độ biến thiên điện áp với tính chất của tải. b Đặc tính ngoài của máy biến áp Đường đặc tính ngoài của máy biến áp là đường biểu diễn quan hệ U2 = f(I2), khi:
Từ công thức (2-60), (2-61) suy ra:
Từ công thức (2-64), ta vẽ được đường đặc tính ngoài của máy biến áp (hình 2-18)
Khi tải dung (C) I2 tăng thì U2 cũng tăng, còn khi tải cảm (L) và tải trở (R) I2 tăng thì U2 giảm, đặc biệt tải cảm làm U2 giảm rõ ràng hơn Để điều chỉnh điện áp U2 trên tải về mức mong muốn, người ta thường thay đổi số vòng dây quấn cao áp, nhất là ở dây quấn cao áp vì dòng điện nhỏ hơn, dễ thao tác Các máy biến áp cho phép điều chỉnh số vòng dây trong phạm vi ± 5% nhờ hệ thống chuyển mạch, giúp duy trì điện áp ổn định phù hợp với tải yêu cầu.
QUẤN MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA CỠ NHỎ
2.7.1 Các loại lõi thép máy biến áp - cách ghép lõi thép máy biến áp a Các loại lõi thép máy biến áp
Lõi hình xuyến bằng ferit có hiệu suất cao, nhưng nhược điểm lớn là công nghệ quấn dây phức tạp do phải luồn dây qua lại nhiều lần, khiến quá trình sản xuất trở nên khó khăn Chính vì vậy, loại lõi này hiện nay ít được sử dụng trong các ứng dụng điện tử.
- Lõi hình chữ X (hình 1.6): cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp được quấn chồng lên nhau rồi lồng vào phần giao của chữ X.
Mạch từ dạng cột (hình 1.7) sử dụng các lá thép hình chữ U+I, U+U, I+I hoặc L+L ghép thành hình chữ O (chữ nhật) Cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp được quấn thành hai cuộn riêng biệt và lồng vào hai cạnh của hình chữ O để tạo ra mạch từ hiệu quả.
Mạch từ dạng EI (hình 2.48) được tạo thành từ các lá thép hình chữ E+E hoặc U+I hoặc U+U ghép thành lõi có hình chữ nhật hai cửa sổ, với cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp quấn chồng lên nhau thành một ống rồi lồng vào chữ E Phương pháp ghép các loại lõi máy biến áp bao gồm việc ghép cả khối thép đã ép thành hình dạng phù hợp như lõi hình xuyến, U ghép O hay lõi chữ X, hoặc quấn trực tiếp dây quấn lên khối thép đã ghép, tuỳ theo loại lõi Đối với các lõi I ghép E và I ghép O, sau khi quấn dây vào khuôn, cần tiến hành ghép từng lá thép lại để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả hoạt động của máy biến áp.
- Cách ghép lõi thép loại E – I ghép E (hình 2.49): ta ghép các chữ E vào ống dây từ hai phía đan xen nhau, sau đó chèn chữ I vào giữa khe hở của hai lá chữ E.
Hình 2.49a E-I ghép E, lớp thứ nhất
Hình 2.49b E-I ghép E, lớp thứ hai
Hình 2.49c Cách ghép lõi thép E-I ghép
Hình 2.49d Cách ghép các lá thép sau cùng
Để ghép mạch từ E-E, bạn cần chèn liên tục các chữ E vào ống dây từ hai phía cho đến hết, đảm bảo kết nối chắc chắn Trong quá trình ghép mạch từ E ghép E cắt chéo hoặc so le, nên cố gắng ghép so le để tăng độ chặt của mạch từ, giúp nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống Việc ghép đúng cách sẽ đảm bảo mạch từ hoạt động ổn định và hiệu quả hơn.
Hình 2.50a Cách ghép mạch từ dạng E-E ghép E
Hình 2.50b Cách ghép mạch từ dạng E-E ghép E cắt chéo, lớp thứ nhất
Hình 2.50c Cách ghép mạch từ dạng E-E ghép E cắt chéo, lớp thứ hai
- Cách ghép mạch từ U-U ghép E: tương tự mạch từ dạng E-E ghép E cắt thẳng (hình 2.51)
- Cách ghép mạch từ U-U ghép O: tương tự mạch từ dạng E-E ghép E cắt thẳng (hình 2.52)
Hình 2.51 Cách ghép mạch từ dạng
Hình 2.52a Cách ghép mạch từ U-
Hình 2.52b Cách ghép mạch từ U-U ghép O, cắt so lệch, lớp thứ nhất
Hình 2.52c Cách ghép mạch từ U-U ghép O, cắt so lệch, lớp thứ hai
- Cách ghép mạch từ L-L ghép O (hình 2.53):
Hình 2.53a Cách ghép mạch từ L-L ghép O, lớp thứ nhất Hình 2.53b Cách ghép mạch từ L-L ghép O, lớp thứ hai
- Cách ghép mạch từ I-I ghép O (hình 2.54):
Hình 2.54a Cách ghép mạch từ I-I ghép O, lớp thứ nhất
Hình 2.54b Cách ghép mạch từ I-I ghép O, lớp thứ hai
2.7.2 Phương pháp đo kích thước lõi
Lõi của biến áp điện lực nói riêng và biến áp nói chung đóng một vai trò quyết định trong việc truyền đạt công suất từ bên sơ cấp sang bên thứ cấp Lõi càng lớn thì khả năng truyền đạt công suất càng lớn và ngược lại Như vậy việc đầu tiên của quá trình chế tạo một máy biến áp là phải tìm chọn cho mình một bộ lõi thép có kích thước đủ lớn phù hợp với yêu cầu về công suất
Lõi thép của biến áp không phải được đúc liền một khối mà được ghép bằng thép lá kỹ thuật có chiều dày từ 0,1 –0,2mm đối với máy biến áp âm tần và từ 0,35 –0,5mm đối với máy biến áp điện lực Trên thực tế người ta hay gọi loại thép này là tôn silíc (hàm lượng silíc cỡ 4%) Trên mặt các lá thép được phủ một lớp sơn cách điện để chống dòng fucô
Lõi thép máy biến áp điện lực kiểu cảm ứng được chế tạo theo nhiều kiểu, nhưng thường là kiểu chữ nhật hai cửa sổ Ở đây chúng ta lấy kiểu lõi này làm ví dụ điển hình để nghiên cứu Hình vẽ không gian của kiểu lõi này được thể hiện trên hình 2.55 a/2 a/2 a/2 c b h a
Người ta xác định tỉ lệ kích thước tối ưu của một bộ lõi chữ nhật hai cửa sổ là: c = 0,8a; h = 2a; b = 3a;
Trong đó a : Độ rộng trụ b : Chiều dày xếp thép c : Độ rộng cửa sổ h : Chiều cao cửa sổ a/2 : Độ rộng chữ I
Trong thực tế chúng ta khó tìm được một bộ lõi thoả mãn các chỉ tiêu này, mà thường chỉ đạt được một chỉ tiêu độ rộng bản (a) gấp đôi độ rộng chữ I (a/2)
Công suất của biến áp điện lực kiểu cảm ứng phụ thuộc vào thiết diện mặt cắt của phần lõi thép biến áp nằm trong ống dây, theo công thức:
S 1 , 2 (1.6) Trong đó: S = a.b - Thiết diện mặt cắt
P - Công suất máy biến áp
(Khi nói tới công suất biến áp chung chung thì phải hiểu là công suất vào P1 chứ không phải công suất ra P2)
Hình 1.16 mô tả phần thiết diện mặt cắt S nằm trong lòng ống dây của máy biến áp Trong đó, cần phân biệt rõ giữa thiết diện thực tế S0 và thiết diện có ích Sci để đảm bảo tính chính xác trong thiết kế và vận hành của máy biến áp Việc hiểu rõ các khái niệm này giúp tối ưu hóa hiệu suất làm việc của thiết bị và nâng cao độ bền của hệ thống điện.
Thiết diện thực tế S0 là phần diện tích thực tế đo được của lõi thép biến áp sau khi đã được nén chặt Đây là yếu tố quan trọng trong quá trình xác định khả năng chịu tải và hiệu suất hoạt động của biến áp Việc đo đạc chính xác thiết diện S0 giúp đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả của thiết bị.
Thiết diện có ích S_ci là phần lõi thép trong lòng ống dây, đóng vai trò quan trọng trong quá trình truyền tải năng lượng từ bên sơ cấp sang bên thứ cấp Lõi thép này giúp tăng khả năng dẫn điện, đảm bảo hiệu suất truyền tải năng lượng hiệu quả và an toàn cho hệ thống Việc chọn đúng thiết diện có ích S_ci là yếu tố quyết định đến độ tin cậy và hiệu quả hoạt động của hệ thống dây dẫn điện.
Thiết diện mặt cắt ố ng dây biến áp
Hình 2.56 Như ta đã biết rằng, lõi thép biến áp được ghép bằng nhiều lá thép, trên mặt các lá thép lại được phủ một lớp sơn cách điện Vì vậy, dù chúng ta có ép chặt đến đâu đi chăng nữa, thì giữa chúng vẫn có một khoảng cách bằng chiều dày của lớp sơn cách điện cộng với một lượng khoảng cách không thể tránh khỏi do sự cong vênh của lõi thép máy biến áp Dođó, thiết diện có ích của lõi thép máy biến áp bao giờ cũng nhỏ hơn thực tế của nó (trừ lõi ferit vì nó được đúc liền một khối).
Giữa chúng có quan hệ: Sci = KsS0 (1.7)
Trong đó: K s 1- Hệ số lấp đầy lõi thép. Đối với biến áp âm tần: K s = 0,8 Đối với biến áp đIện lực: K s = 0,9 Đối với lõi ferit: K s = 1 (1.8) Đôi khi để tiết kiệm chi phí, lõi của các biến áp điện lực còn được ghép bằng những lá thép hình chữ I (vuông vắn hoặc không vuông vắn), trong trường hợp này
Scicòn nhỏ hơn 0,9S0nhiều Tuỳ từng trường hợp cụ thể mà ta có thể chọn Ks = 0,8 hoặc Ks = 0,7 (1.9) cho phù hợp.