1 1 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[.]
KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN
Vật liệu dùng trong máy điện
Vật liệu dẫn điện được sử dụng để chế tạo các bộ phận dẫn điện trong máy điện Trong số các vật liệu, đồng là lựa chọn tốt nhất nhờ đặc tính dẫn điện cao, chi phí hợp lý và điện trở suất thấp Chính nhờ những ưu điểm này, đồng được ưu tiên sử dụng cho các bộ phận dẫn điện trong các thiết bị điện tử và máy móc công nghiệp.
Trong quá trình sản xuất dây quấn, người ta chủ yếu sử dụng đồng do có độ dẫn điện tốt và khả năng chống oxi hóa cao, bên cạnh đó, nhôm và các hợp kim như đồng thau, đồng photpho cũng được sử dụng một cách phổ biến Tuy nhiên, đồng vẫn là vật liệu chính để chế tạo dây quấn nhờ vào tính năng vượt trội của nó.
Dây đồng và dây nhôm được sản xuất với các tiết diện tròn hoặc chữ nhật để phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau Chúng có lớp cách điện đa dạng gồm sợi vải, sợi thủy tinh, giấy, nhựa hóa học và sơn êmay, giúp bảo vệ an toàn và tăng độ bền cho dây dẫn trong các hệ thống điện và truyền tải.
Đối với các máy điện công suất nhỏ và trung bình, điện áp dưới 700V thường được sử dụng vì lớp cách điện của dây mỏng, đảm bảo độ bền yêu cầu Các bộ phận như vành đổi chiều, lồng sóc hoặc vành trượt thường làm từ đồng, nhôm hoặc các hợp kim của chúng để tăng độ bền cơ học Ngoài ra, trong một số trường hợp, người ta còn sử dụng thép để giảm lượng kim loại màu và nâng cao khả năng chịu lực của các bộ phận này.
Vật liệu dẫn từ để chế tạo các bộ phận của mạch từ chủ yếu là các vật liệu sắt từ như thép lá thường, thép đúc và thép rèn, trong đó gang ít được sử dụng do khả năng dẫn từ không tốt Đặc biệt, trong các ứng dụng mạch từ có từ thông biến đổi với tần số 50Hz, thường chọn thép lá kỹ thuật điện dày từ 0,35 đến 0,5mm, chứa từ 2-5% silic nhằm tăng điện trở của thép, giảm thiẹt vòng điện xoáy Đối với tần số cao hơn, thép lá kỹ thuật điện có độ dày từ 0,1 đến 0,2mm phù hợp hơn, giúp giảm tổn thất do dòng xoáy và nâng cao hiệu quả hoạt động của mạch từ.
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 sản xuất bằng phương pháp cán nóng hoặc cán nguội, tùy thuộc vào ứng dụng Hiện nay, thép cán nguội được ưu tiên cho các máy biến áp và máy điện công suất lớn nhờ có độ từ thẩm cao hơn và tổn hao công suất thấp hơn so với thép cán nóng Trong đoạn mạch từ có từ trường không đổi, các loại thép đúc, thép rèn và thép lá thường được sử dụng để đảm bảo hiệu quả hoạt động cao.
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 cần có cường độ cách điện cao, khả năng chịu nhiệt tốt và khả năng tản nhiệt hiệu quả để đảm bảo hoạt động an toàn và bền bỉ Ngoài ra, vật liệu cần chống ẩm và có độ bền cơ học cao để đảm bảo khả năng chịu tải lâu dài Độ bền nhiệt của chất cách điện bao bọc dây dẫn quyết định nhiệt độ tối đa cho phép của dây, từ đó ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng tải của máy điện.
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 là thể rắn, phân thành bốn nhóm chính: chất hữu cơ thiên nhiên như giấy và vải lụa; chất vô cơ như amiăng, mica, sợi thủy tinh; các chất tổng hợp; và các loại men, sơn cách điện nhằm đảm bảo cách điện hiệu quả trong hệ thống 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, vật liệu có sợi như giấy, vải, sợi được sử dụng để chế tạo cách điện cho dây dẫn do có độ bền cơ tốt, mềm và giá thành phải chăng Tuy nhiên, những vật liệu này có nhược điểm là dẫn nhiệt kém, hút ẩm cao và kém cách điện Chính vì vậy, dây dẫn cách điện sợi phải được sấy tẩm để cải thiện tính năng của vật liệu cách điện, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình sử dụng.
Căn cứ vào độ bền nhiệt, vật liệu cách điện được chia ra nhiều loại:
Vật liệu cách điện cấp A bao gồm các loại như bông, tơ, giấy và các chất hữu cơ tương tự được tẩm dầu để tăng khả năng cách điện Những vật liệu này thường được sử dụng để cách điện dây dẫn bằng sợi êmay Nhiệt độ làm việc tối đa của vật liệu cách điện cấp A là khoảng 90°C, đảm bảo an toàn và độ bền trong quá trình sử dụng.
- Vật liệu cách điện cấp B: Gồm các sản phẩm của mica, amiăng, sợi thủy tinh, nhiệt độ cho phép từ 105 o - 140 o C
- Vật liệu cách điện cấp E: Là trung gian giữa cấp A và B
Vật liệu cách điện cấp E và cấp H là vật liệu cách điện chịu nhiệt 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 là vật liệu để chế tạo các chi tiết chịu các tác động cơ học như trục, ổ trục, vỏ máy, lắp máy
Trong máy điện, các vật liệu kết cấu thường là gang, thép lá, thép rèn, kim loại màu và hợp kim của chúng, các chất dẻo.
Tính thuận nghịch của máy điện
Nguyên lý làm việc của các máy điện dựa trên cơ sở định luật cảm ứng điện từ
Trong các máy điện, sự biến đổi năng lượng diễn ra thông qua từ trường Để tạo ra từ trường mạnh và tập trung, người ta sử dụng vật liệu sắt từ làm mạch từ, giúp tối ưu hiệu suất truyền năng lượng Trong các máy biến áp, mạch từ gồm một lõi thép đứng yên, còn trong các máy điện quay, mạch từ bao gồm hai lõi thép đồng trục, một quay và một cố định, cách nhau một khe hở để tạo điều kiện cho quá trình chuyển đổi năng lượng hiệu quả.
Theo tính chất thuận nghịch của định luật cảm ứng điện từ máy điện có thể làm việc ở chế độ máy phát điện hoặc động cơ điện
Hình 1.12 Nguyên tắc cấu tạo và làm việc của máy phát điện
9 Đưa cơ năng vào phần quay của máy điện nó sẽ làm việc ở chế độ máy phát:
Máy điện một chiều có cấu tạo gồm một khung dây abcd hai đầu nối với hai phiến góp, nhằm tạo ra dòng điện một chiều ổn định Khung dây và phiến góp được quay đều quanh trục của nó với vận tốc không đổi nhờ vào từ trường sinh ra bởi hai cực nam châm vĩnh cửu Thiết kế này cho phép máy hoạt động hiệu quả trong việc chuyển đổi năng lượng từ cơ học sang điện năng một chiều.
Theo định luật cảm ứng điện từ trong thanh dẫn sẽ cảm ứng lên sức điện động: e = B.l.v (V) (1-11)
B: Từ cảm nơi thanh dẫn quét qua (T)
L: Chiều dài của thanh dẫn trong từ trường (m)
V: Tốc độ dài của thanh dẫn (m/s)
Nếu mạch ngoài khép kín qua tải thì sức điện động trong khung dây sẽ sinh ra ở mạch ngoài một dòng điện chạy từ A đến B
Máy làm việc ở chế độ máy phát điện biến cơ năng thành điện năng
Máy làm việc ở chế độ động cơ điện:
Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B (dương ở A và âm ở B), trong khung dây abcd có dòng điện
Khung dây abcd có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu tác dụng của lực điện từ theo quy tắc bàn tay trái Lực này tạo ra một mômen quay, gây ra chuyển động quay của khung dây Hiểu rõ hiện tượng này giúp giải thích cách các thiết bị điện từ hoạt động hiệu quả.
Khi phần ứng quay được nửa vòng, các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ cho nhau, duy trì trạng thái ổn định của hệ thống Nhờ có phiến góp thay đổi chiều dòng điện, chiều lực tác dụng trên các thanh dẫn vẫn giữ nguyên, đảm bảo khung dây (hay roto) duy trì chiều quay liên tục Quá trình này đảm bảo hoạt động ổn định của máy điện và làm tăng hiệu quả chuyển đổi năng lượng điện từ cơ năng một cách bền vững.
Khi rôto quay, các thanh dẫn rôto cắt từ trường sẽ cảm ứng sđđ Eư
Chiều suất điện động (sđđ) được xác định theo quy tắc bàn tay phải, giúp xác định hướng của từ trường và lực tác dụng Trong động cơ điện, chiều sđđ luôn ngược chiều dòng điện Iư, do đó Eư còn gọi là sức phản điện động Hiểu rõ đặc điểm này là cơ sở để phân tích hoạt động của động cơ điện trong các ứng dụng kỹ thuật.
Hình 1.13 Nguyên tắc cấu tạo và làm việc của động cơ
Phương trình cân bằng điện áp của động cơ điện một chiều là:
* Hoạt động tại xưởng trường
1 Khảo sát các loại máy điện tĩnh có trong xưởng trường
Thực hiện khảo sát máy điện tĩnh theo các bước sau:
- Bước 1: Xác định kiểu loại máy, ghi nhận:
- Bước 2: kiểm tra ghi nhận thông tin máy như điện áp, tần số, loại dòng điện, số pha, chế độ làm việc:
2 Khảo sát các loại máy điện quay có trong xưởng trường
Thực hiện khảo sát máy điện quay theo các bước sau:
- Bước 1: Xác định kiểu loại máy, ghi nhận:
- Bước 2: kiểm tra ghi nhận thông tin máy như điện áp, tần số, loại dòng điện, số pha, chế độ làm việc:
3 Khảo sát các tính thuận nghịch của máy điện có trong xưởng trường
Thực hiện khảo sát máy điện theo các bước sau:
- Bước 1: chuẩn bị động cơ DC, ghi nhận các thông số của động cơ:
- Bước 2: cấp nguồn, ghi nhận các thông số dòng điện, điện áp, công suất động cơ :
- Bước 3: cấp nguồn sơ cấp, ghi nhận các thông số dòng điện, điện áp, công suất phát ra :
Trọng tâm cần chú ý trong bài
- Các phương trình điện từ
- Tính thuận nghịch của máy điện
Các bài tập mở rộng và nâng cao
- Thực hiện khảo sát chế độ động cơ – máy phát của máy điện
Yêu cầu về đánh giá kết quả học tập bài 1:
- Về kiến thức: trình bày đúng phân loại máy điện, các phương trình điện từ, phát nóng máy điện
- Về kỹ năng: phân loại đúng máy điện
- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: kỹ năng đảm bảo an toàn cho người và thiết bị, vệ sinh công nghiệp
- Về kiến thức: đánh giá bằng hình thức bài kiểm tra trắc nghiệm, bài kiểm vấn đáp
- Về kỹ năng: sử dụng thành thạo dụng cụ, thiết bị trong đo kiểm Đo kiểm các thông số theo yêu cầu
- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: kỹ năng đảm bảo an toàn cho người và thiết bị, vệ sinh công nghiệp
MÁY BIẾN ÁP
Cơ sở lý thuyết
1.1 Khái niệm chung Để truyền tải và phân phối điện năng đi xa được phù hợp và kinh tế thì phải có những thiết bị để tăng và giảm áp ở đầu và cuối đường dây Những thiết bị này gọi là máy biến áp (MBA) (hình 2.1)
Máy biến áp trong hệ thống điện lực, còn gọi là máy biến áp công suất, chủ yếu đảm nhiệm chức năng truyền tải và phân phối điện năng hiệu quả Tuy nhiên, máy biến áp không biến đổi năng lượng mà chỉ điều chỉnh điện áp để phù hợp với hệ thống truyền tải và tiêu thụ điện Vai trò của máy biến áp trong lưới điện vô cùng quan trọng, góp phần duy trì ổn định, nâng cao hiệu quả phân phối điện năng cho các khách hàng.
Các loại máy biến áp phổ biến hiện nay gồm có máy biến áp điện lực, máy biến áp hàn điện và các loại máy biến áp dùng cho thiết bị chỉnh lưu, đo lường Trong quá trình sản xuất, dây nhôm ngày càng được thay thế cho dây đồng nhằm giảm kích thước, trọng lượng của máy biến áp, đồng thời tiết kiệm chi phí vật tư và giảm giá thành sản phẩm Việc sử dụng dây nhôm không những giúp tối ưu hóa hiệu quả hoạt động của máy biến áp mà còn mang lại lợi ích về kinh tế cho người dùng và các nhà sản xuất.
Hình 2.1 Sơ đồ mạng truyền tải đơn giản
Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, có vai trò chuyển đổi điện áp của hệ thống dòng điện xoay chiều từ mức này sang mức khác mà không thay đổi tần số.
1.2 Cấu tạo máy biến áp
Máy biến áp có ba bộ phận chính: lõi thép, dây quấn và vỏ máy
Lõi thép: dùng làm mạch dẫn từ, đồng thời làm khung để quấn dây quấn
Theo hình dáng lõi thép người ta chia ra:
- MBA kiểu lõi hay kiểu hay kiểu trụ:
- MBA kiểu bọc: a Máy biến áp kiểu lõi hay kiểu hay kiểu trụ
Dây quấn bao quanh lõi thép
Loại này sử dụng rất thông dụng cho máy biến áp một pha và ba pha có dung lượng nhỏ và trung bình
Hình 2.2 Máy biến áp kiểu lõi: a một pha; b ba pha b Máy biến áp kiểu bọc
Mạch từ được phân nhánh hai bên và bao quanh một phần dây quấn, phù hợp cho các ứng dụng trong lò luyện kim và các máy biến áp một pha công suất nhỏ Loại mạch từ này thường được sử dụng trong kỹ thuật vô tuyến điện và truyền thanh, giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền tải điện năng.
Trong các máy biến áp hiện đại, dung lượng hoạt động thường lớn, có thể từ 80 đến 100 MVA trên mỗi pha, với điện áp thật cao từ 220 đến 400 KV nhằm giảm chiều cao của trụ thép và thuận tiện trong vận chuyển Mạch từ của máy biến áp kiểu trụ được phân nhánh sang hai bên, tạo thành dạng vừa hình bọc vừa hình trụ, gọi là máy biến áp kiểu trụ bọc, phù hợp với các yêu cầu về công suất và cỡ lớn của hệ thống điện hiện nay.
Hình 2.4 Máy biến áp kiểu trụ bọc: a Một pha; b Ba pha
Hình 2.4b trình bày kiểu mba trụ bọc 3 pha, trường hợp này có dây quấn ba pha nhưng có 5 trụ nên gọi là mba 3 pha 5 trụ
Lõi thép MBA gồm 2 phần (Hình 2.4): Phần trụ từ và phần gông từ
Trụ là phần lõi thép có quấn dây quấn,
Gông là phần lõi thép nối các trụ lại với nhau thành mạch từ kín có dây quấn
Hình 2.5 Tiết diện của trụ thép
Dây quấn thường được quấn thành hình tròn, tạo ra tiết diện ngang của trụ thép có dạng hình gần tròn, như trong Hình 2.5 Trong khi đó, gông từ vì không quấn dây, nên để đơn giản trong quá trình chế tạo, tiết diện ngang của gông có thể được thiết kế dưới dạng hình vuông, hình chữ nhật hoặc hình T, như thể hiện trong Hình 2.6.
Hiện nay, các MBA điện lực thường sử dụng tiết diện gông từ dạng hình bậc thang nhằm đảm bảo hiệu quả hoạt động Để tăng cường an toàn, toàn bộ lõi thép của MBA được nối đất cùng với vỏ máy, giúp tránh nguy cơ rò điện và đảm bảo an toàn cho người vận hành.
Hình 2.6 Các dang thiết diện của trụ thép Dây quấn
Dây quấn là bộ phận dẫn điện của MBA, có vai trò thu năng lượng vào và truyền năng lượng ra hiệu quả Thường được làm bằng đồng hoặc nhôm, dây quấn được sắp xếp theo hai loại chính: dây quấn đồng tâm và dây quấn xen kẽ Trong đó, dây quấn đồng tâm thường dùng trong các ứng dụng cần độ chính xác cao và hiệu suất ổn định.
Tiết diện ngang của máy biến áp bao gồm các vòng tròn đồng tâm xác định vị trí của các cuộn dây Dây quấn HA (hạ áp) thường được quấn phía trong gần trụ thép để đảm bảo hiệu quả truyền tải điện năng Trong khi đó, dây quấn CA (cao áp) được quấn phía ngoài, bọc lấy dây quấn HA nhằm cách ly và tăng độ bền cho thiết bị Các cấu trúc này đóng vai trò quan trọng trong hoạt động ổn định và an toàn của máy biến áp.
Với các dây quấn này có thể giảm bớt điều kiện cách điện của dây quấn CA, vì dây quấn
HA được cách điện dây quấn CA và trụ
Những kiểu dây quấn đồng tâm chính bao gồm:
Hình 2.7 Dây quấn hình trụ a Dây quấn bẹt hai lớp; b Dây quấn tròn b Dây quấn hình trụ
Chọn dây quấn phù hợp dựa trên tiết diện dây, với dây bẹt dùng cho dây lớn và quấn thành 2 lớp để đảm bảo độ bền, trong khi dây tròn phù hợp cho tiết diện nhỏ, thường quấn thành nhiều lớp để tăng khả năng chịu tải Dây quấn hình trụ bằng dây tròn thường được sử dụng trong các ứng dụng điện CA với điện áp 35 KV.
Dây quấn hình trụ bẹt chủ yếu làm dây quấn HA từ 6 KV trở xuống c Dây quấn hình xoắn
Hình 2.8 Dây quấn hình xoắn Hình 2.9 Dây quấn hình xoắn ốc
Gồm nhiều dây bẹt chập lại với nhau quấn theo đường xoắn ốc, giữa các vòng dây có rãnh hở (Hình 2.8)
Kiểu này thường dùng cho dây quấn HA của mba dung lượng trung bình và lớn d Dây quấn xoắn ốc liên tục
Làm bằng dây bẹt và khác với dây quấn hình xoắn ở chỗ, dây quấn này được quấn thành những bánh dây phẳng cách nhau bằng những rãnh hở (Hình 2.9)
Bằng cách hoán vị đặc biệt trong quá trình quấn dây, các bánh dây được kết nối tiếp tục một cách liên tục mà không cần sử dụng mối hàn Phương pháp này gọi là xoắn ốc liên tục, giúp đảm bảo kết nối chắc chắn và tối ưu hiệu quả truyền tải trong hệ thống dây điện Xoắn ốc liên tục được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp để nâng cao độ bền và hiệu suất của các bộ phận quấn dây.
Dây quấn này chủ yếu dùng cuộn CA, điện áp 35 KV trở lên và dung lượng lớn e Dây quấn xen kẽ
Các dây quấn CA và HA lần lượt xen kẽ nhau dọc theo trụ thép, giúp đảm bảo hiệu quả truyền tải điện năng Để dễ dàng trong việc cách điện, các bánh dây sát gông thường được làm bằng dây quấn HA, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và đảm bảo an toàn hệ thống điện.
Kiểu dây này thường dùng trong mba kiểu bọc
Vì chế tạo và cách điện khó khăn nên các mba kiểu trụ không dùng dây quấn xen kẽ
Hình 2.10 Dây quấn xen kẽ
Làm bằng thép, hình bầu dục
Trong quá trình hoạt động, motor điện (một phần năng lượng tiêu thụ bị chuyển đổi thành nhiệt) làm nóng lõi thép, dây quấn và các bộ phận khác, khiến nhiệt độ của chúng tăng lên đáng kể Chính vì vậy, giữa motor và môi trường xung quanh sẽ có sự chênh lệch nhiệt độ, ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc và độ bền của thiết bị.
Giá trị nhiệt độ vượt quá mức qui định làm giảm tuổi thọ hoặc có thể gây ra sự cố cho mba
MBA vận hành liên tục có thể sử dụng trong khoảng từ 15 đến 20 năm mà vẫn đảm bảo hoạt động ổn định, ít gặp sự cố Hệ thống làm lạnh của MBA được duy trì hiệu quả bằng phương pháp ngâm trong thùng dầu, giúp bảo vệ các bộ phận và kéo dài tuổi thọ thiết bị.
Nhờ sự đối lưu trong dầu nhiệt từ các bộ phận bên trong truyền sang dầu rồi qua vách thùng ra môi trường xung quanh
Lớp dầu sát vách thùng nguội dần sẽ chuyển xuống phía dưới và lại tiếp tục làm nguội một cách tuần hoàn các bộ phận bên trong máy
Dầu còn làm nhịêm vụ tăng cường cách điện b Nắp thùng
Dùng để đậy thùng và trên đó có đặt các chi tiết máy quan trọng như:
- Các sứ ra của dây quấn HA và CA:
Làm nhiệm vụ cách điện giữa dây dẫn với vỏ máy
Tùy theo điện áp mba người ta có sứ cách điện thường hoặc có dầu
Hình 2.11 vẽ một sứ đầu ra 35 KV chứa dầu Điện áp càng cao thì kích thước và trọng lượng sứ càng lớn
Là một thùng hình trụ bằng thép đặt trên nắp và nối với thùng bằng một ống dẫn dầu (Hình 2.12)
