Giáo trình máy điện 1

Bài 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 1. Các định luật cơ bản dùng trong máy điện 1.1 Định luật lực điện từ (định luật Laplace): 1.2 Định luật cảm ứng điện từ (định luật Faraday): 2. Định nghĩa và phân loại máy điện 2.1. Các loại máy điện và vai trò của chúng trong nền kinh tế quốc dân: Máy điện là thiết bị điện từ, nguyên lí làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ. Về cấu tạo máy điện gồm các mạch từ (Lõi thép) và mạch điện (các dây quấn), dung để biến đổi dạng năng lượng như cơ năng thành điện năng (máy phát điện) hoặc ngược lại biến đổi điện năng thành cơ năng ( động cơ điện), hoặc dung để biến đổi thông số như biến đổi điện áp, dòng điện, tần số, số pha… 5. Phát nóng và làm mát máy điện Trong quá trình làm việc có tổ hao công suất. Tổn hao trong máy điện gồm tổn hao sắt từ (do hiện tượng từ trễ và dòng xoáy) trong thép, tổn hao đồng trong điện trở dây quấn và tổn hao do ma sát (ở máy điện quay). Tất cả các tổn hao năng lượng đề biến thành nhiệt năng làm nóng máy điện Bài 2: MÁY BIẾN ÁP 2.1. 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 21). 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. 2.2. 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. 2.3.2. 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

Bài 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN

1 Các định luật cơ bản dùng trong máy điện

1.1 Định luật lực điện từ (định luật Laplace):

Khi thanh dẫn với chiều dài l mang dòng điện i đặt thẳng góc với từ cảm B (đường sức từ trường, trường hợp rất thường gặp ở động cơ điện) Nó sẽ chịu một lực điện từ F:

Chiều và độ lớn của lực f được xác định là tích vectơ: f i l B

i: dòng điện đo bằng ampe (A)

F: lực điện từ đo bằng Niuton (N)

Chiều của lực điện từ xác định theo qui tắc bàn tay trái: Để cho các đường sức từ đâm vào lòng bàn tay trái, chiều từ cổ tay đến các ngón tay chỉ chiều dòng điện thì chiếu ngón tay cái chãi ra chỉ chiều lực điện từ

1.2 Định luật cảm ứng điện từ (định luật Faraday):

a Trường hợp từ thông Φ biến thiên xuyên qua dòng dây(định luật Lenxơ):

Giả sử ta có vòng dây, từ thông đi qua diện tích vòng dây là Φ Qui ước chiều dương cho vòng dây như sau: Vặn cái vặn nút chai theo chiều tiến của từ thông thì chiều xoay của cái vặn nút chai sẽ là chiều dương của vòng Khi từ thông Φ biến thiên xuyên qua dòng dây dẫn, trong vòng dây sẽ cảm ứng sức điện động Nếu chiều suất điện động cảm ứng phù hợp với chiều đã chọn, sẽ có giá trị dương và ngược lại sẽ có giá trị âm Cho một thanh nam châm lại gần và dịch xa vòng dây để làm thay đổi từ thông qua vòng sẽ làm xuất hiện sức điện động cảm ứng trong vòng dây Nếu từ thông biến thiên càng nhanh thì s.đ.đ càng lớn Như vậy s.đ.đ cảm ứng tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông Nếu trong thời gian dt, từ thông qua vòng biến thiên một lượng là dΦ thì trị số sức điện động cảm ứng trong một vòng dây đựơc viết theo công thức Maxwell như sau:

e = - dΦ/dtNếu cuộn dây có w vòng, sđđ cảm ứng của cuộn dây sẽ là: e = dt

d dt

d

− .Trong đó: Ψ =w.Φ là từ thông móc vòng của cuộn dây Đơn vị Webe (Wb)

b Trường hợp thanh dẫn chuyển động trong từ trường:

Hình 1.6 Qui tắc bàn tay trái

Hình 1.4 Sức điện động trong vòing dây có từ thông biến thiên

Một thanh dẫn có chiều dài l, chuyển động với vận tốc v vuông góc với đường sức

của từ trường (thường gặp trong máy phát điện), trong thanh dẫn

sẽ cảm ứng sđđ e ở trong một từ trường đứng yên có từ cảm B

2 Định nghĩa và phân loại máy điện

2.1 Các loại máy điện và vai trò của chúng trong nền kinh tế quốc dân:

Máy điện là thiết bị điện từ, nguyên lí làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ

Về cấu tạo máy điện gồm các mạch từ (Lõi thép) và mạch điện (các dây quấn), dung để biến đổi dạng năng lượng như cơ năng thành điện năng (máy phát điện) hoặc ngược lại biến đổi điện năng thành cơ năng ( động cơ điện), hoặc dung để biến đổi thông số như biến đổi điện áp, dòng điện, tần số, số pha…

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

2.2 Phân loại:

Máy điện có nhiều loại khác nhau và có nhiều cách phân loại: theo công suất, cấu tạo, theo chức năng, theo dòng điện (xoay chiều, 1 chiều) và nguyên lí làm việc vv…

• Theo chức năng:

 Các lọai máy phát điện để biến cơ năng thành điện năng

 Các lọai động cơ điện để biến điện năng thành cơ năng

 Các lọai máy biến áp để truyền tải và phân phối điện năng

• Theo cấu tạo và trạng thái làm việc có thể phân ra làm các lọai sau

 Máy điện đứng yên: Máy biến áp

 Máy điện quay: Dựa vào lưới điện chia thành 2 loại nhỏ: máy điện xoay chiều

và máy điện một chiều Máy điện xoay chiều có thể phân thành máy điện đồng bộ, máy điện không đồng bộ và máy điện xoay chiều có vành góp Có thể mô tả bằng hình vẽ như sau:

Máy biến ápĐộng cơ không đồng bộMáy phát không đồng bộĐộng cơ đồng bộMáy phát đồng bộĐộng cơ một chiềuMáy phát một chiều

Hình 1.5 Qui tắc bàn tay phải

Máy điệnMáy điện quayMáy điện tĩnhMáy điện 1 chiềuMáy điện xoay chiềuMáy điện không đồng bộMáy điện đồng bộ

3 Nguyên lý máy phát điện và động cơ điện

Tính thuận nghịch trong máy điện:

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

3.1 Chế độ máy phát điện:

Cho cơ năng của động cơ điện sơ cấp, thanh dẫn sẽ chuyển động với vận tốc v trong từ trường của nam châm N - S, trong thanh dẫn sẽ cảm ứng một sức điện động e

- Nếu nối 2 cực của thanh dẫn điện trở R của tải thì dòng i chạy trong thanh dẫn sẽ cung cấp điện cho tải

- Nếu bỏ qua điện trở của thanh dẫn thì điện áp đặt vào tải u ≈ e

Công suất điện máy phát cung cấp cho tải là : P = U.I = e i

Dòng điện i nằm trong từ trường , từ trường sẽ chịu tác dụng của lực điện từ F

Hình 1.1 Phân loại máy điện

Như vậy công suất của động cơ sơ cấp P

cơ

= Fcơ

V đã được biến đổi thành công

Công suất điện đưa vào động cơ:

P = u.i = e.i = B.i.l = F

dt.vNhư vậy công suất điện P = u.i đưa vào động cơ đã biến thành công suất cơ (P

cơ

= F

dt

.v) trên trục động cơ điện năng đã biến thành cơ năng

Ta nhận thấy cùng một thiết bị điện từ tùy vào dạng năng lượng đưa và mà máy điện có thể làm việc ở chế độ máy phát điện hoặc đông cơ điện Đây chính là tính chất thuận nghịch của mọi loại máy điện

4 Sơ lược về các vật liệu chế tạo máy điện

+ Vật liệu tác dụng: gồm vật liệu dẫn điện và dẫn từ chủ yếu để chế tạo dây quấn và lõi thép

+ Vật liệu cách điện dùng để cách điện các bộ phận dẫn điện và không dẫn điện hoặc các bộ phận dẫn điện với nhau

+ Vật liệu kết cấu dùng để chế tạo các chi tiết máy và bộ phận chịu lực tác dụng cơ học như ổ trục, vỏ máy, nắp máy …Trong máy điện, các vật liệu kết cấu thường là gang, thép lá, thép rèn, kim loại máy và hợp kim của chúng, các chất dẻo

Ta xét sơ lược đặc tính của vật liệu dẫn từ, dẫn điện cách điện dùng trong chế tạo máy điện

4.1 Vật liệu dẫn điện:

Đồng (Cu) và nhôm (Al) Chúng có điện trở bé, chống ăn mòn tốt, tùy theo yêu cầu

về cách điện và độ bền cơ học ta dùng hợp kim của đồng và nhôm

+ Số thứ hai chỉ chất lượng thép về mặt tổn hao, số càng cao tổn hao càng ít

+ Số thứ ba số 0 chỉ cho thép cán nguội (thép dẫn có hướng) thường sử dụng chế tạo máy biến áp

Ngoài ra các lõI thép kĩ thuật điện còn mang mã hiệu 3404, 3405…3408 có chiều dài 0,3 mm; 0,35 mm

Để đơn giản tổn hao do dòng điện xoáy, các lá tôn silic trên thường phủ một lớp sơn cách điện mỏng sau đó mới được ghép chặt với nhau, từ đó sinh ra hệ số ép chặt Kc: là tỉ

số giữa chiều dài của lõi thép thuần thép với chiều dài thực của lõi thép kể cả phần cách điện khi ghép

4.3 Vật liệu cách điện:

Dùng trong máy điện phải đạt yêu cầu:

+ Cường độ cách điện cao

+ Chịu nhiệt tốt, tản nhiệt dễ dàng

+ Chống ẩm ướt, độ bền cơ học cao

Các chất cách điện dùng trong máy phát điện có thể ở thể hơi và thể rắn, thể lỏng

Các chất cách điện ở thể rắn chia làm 4 loại:

+ Các chất hữu cơ thiên nhiên như: vải, lụa

+ Các chất vô cơ như: mica, amiăng, sợi thủy tinh…

Trong đó: t 1 nhiệt độ của máy, t2 nhiệt độ mộI trường.

Theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN): nhiệt độ môi trường là 40°C còn của máy điện ta bình quân Hiện nay ta thường dùng cách điện cấp A, E, B

Chú ý: Trên nhiệt độ cho phép 10% thì tuổI thọ của máy sẽ giảm đi 1/2 nên không

được phép làm việc trong thời gian dài

5 Phát nóng và làm mát máy điện

Trong quá trình làm việc có tổ hao công suất Tổn hao trong máy điện gồm tổn hao sắt từ (do hiện tượng từ trễ và dòng xoáy) trong thép, tổn hao đồng trong điện trở dây quấn và tổn hao do ma sát (ở máy điện quay) Tất cả các tổn hao năng lượng đề biến thành nhiệt năng làm nóng máy điện

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

Để làm mát máy điện, phải có biện pháp tản nhiệt ra môi trường xung quanh Sự tnar nhiệt không những phụ thuộc vào bề mặt làm mát của máy mà còn phụ thuộc vào

sự đối lưu của không khí xung quanh hoặc của môi trường làm mát khác như dầu máy biến áp… tường vỏ máy điện được chế tạocacs cánh tản nhiệt và máy đienj có hệ thống quạt gió để làm mát

Kích thước của máy, phương pháp làm mát phải được tính toán và lựa chọn để cho

độ tăng nhiệt của vật liệu cách điện trong máy không vượt quá độ tăng nhiệt cho phép, đảm bảo cho vật liệu cách điện làm việc lâu dài khỏng 20 năm

Khi máy điện làm việc ở chế độ đinh mức, độ tăng nhiệt của các phần tử khong vượt quá độ tăng nhiệt cho phép Khi máy quá tải, độ tăng nhiệt sẽ vượt quá nhiệt độ chop phép, vì thế không được cho phép máy quá tải lâu dài

Câu hỏi:

1 Các bộ phận cơ bản của máy điện là gì? Nêu chức năng của các bộ phận ấy?

2 Trình bày các định luật điện từ dùng trong máy điện? Nêu ứng dụng của định luật cảm ứng điện từ và lực điện từ trong máy điện?

3 Các vật liệu chế tạo máy điện là gì?

4 Trình bày nguyên lý máy phát điện và động cơ điện?

5 Các phương pháp làm lạnh máy điện?

Bài 2: MÁY BIẾN ÁP

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

2.2 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.

2.2.1 Điện áp định mức.

- Điện áp sơ cấp U1đm là điện áp qui định cho cuộn dây sơ cấp

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

2.2.2 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 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

2.3 CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP

Máy biến áp có các bộ phận chính sau đây:

Lõi thép máy biến áp dùng để dẫn từ thông chính của máy, được chế tạo từ những vật liệu

điện rồi ghép lại với nhau thành lõi thép Lõi thép gồm 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

2.3.2 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.

2.3.3 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.

2.4 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

Hình 2-5 Sơ đồ nguyên lý của mba một pha hai dây quấn.

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:

1 1 1 u

k = = =

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.

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

ψ

L = i

2.5.2 Phương trình điện áp phía sơ cấp.

sức điện động e1, điện trở dây quấn sơ cấp R1,điện cảm

trình điện áp sơ cấp viết dưới dạng trị số tức thời:

Hình 2-6 Máy biến áp một pha làm

việc có tải.

X = ωL 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 dưới dạng trị số tức thời:

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

Hình 2-7 Mạch điện sơ cấp.

Hình 2-8 Mạch điện thứ cấp.

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 + i2W2 sinh ra từ thông chính của máy

tải Do đó ta có phương trình sức từ động dưới dạng tức thời như sau:

2 2 2 2

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

2.5.5.1 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:

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:

• • •

1 1 1 1

2.5.5.2 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 I0 sinh ra nên ta có thể viết:

1 th th 0 th 0

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

Rth là điện trở từ hóa đặc trưng cho tổn hao sắt từ

2

st th 0

ΔP = R I

Xth là 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:

1 1 th 0 1

Hình 2-9 Sơ đồ thay thế máy biến áp.

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.

2.6 CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP

2.6.1 Chế độ không tải của máy biến áp.

2.6.1.1 Chế độ không tải của máy biến áp.

+ Chế độ không tải của máy biến áp là trạng thái

cuộn thứ cấp để hở mạch, như vậy dòng điện thứ cấp

điện không tải I0

+ Phương trình cân bằng điện áp là:

0 1 1 0 1 th 0 0 1

U = I Z - E = I (Z +Z ) = Z I (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:

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

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

2.6.1.2 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;

Pcosφ = = 0,1 ÷ 0,3

2.6.2 Chế độ ngắn mạch của máy biến áp.

2.6.2.1 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

•

1

I lúc này gọi là dòng điện ngắn mạch

• n

I Phương trình điện áp máy biến áp ngắn mạch:

U = I (Z +Z' ) = I Z (2-46)Trong đó:

Hình 2-13 Mạch điện thay thế máy biến áp lúc ngắn mạch.

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

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

2.6.2.2 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

n n

hao sắt từ Do vậy công suất đo được ở thí nghiệm ngắn mạch Pn chính là tổn hao trong điện trở 2 dây quấn sơ cấp và thứ cấp Từ đó ta tính được các thông số dây quấn trong sơ

đồ thay thế

+ Tổng trở ngắn mạch:

n n 1đm

(a) (b)

X I

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 U1đm:

t 2đm 1đm

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

2.6.3.1 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:

ΔU2 = U2đm – U2 (2-60)

Độ biến thiên điện áp thứ cấp phần trăm:

2đm 2 2%

WkW

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

Từ đồ thị véctơ (hình 2-16), ta chiếu Ug1lên phương U'g2 Vì góc lệch pha giữa Ug1

và U'g2 không lớn, nên gần đúng có thể coi:

1đm

U = OB OC ≈

' 1đm 2

I

I , đưa I1đm vào trong ngoặc, ta được:

1 1đm n t 1đm n t 1đm

2%

1đm

I(I R cosφ - I X sinφ )I

U

Biết

1 t 1đm

Ik

n 1đm nR%

1đm

X I

U

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.

2.6.3.2 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 (2-64), ta vẽ được đường

đặc tính ngoài của máy biến áp (hình 2-18)

Nhìn đồ thị ta thấy, khi tải dung (C) I2

tăng thì U2 tăng, khi tải cảm (L) và tải trở (R)

I2 tăng thì U2 giảm (tải cảm làm U2 giảm nhiều hơn)

Để điều chỉnh điện áp U2 trên tải đến trị số mong muốn bằng cách thay đổi số vòng dây, thường ở dây quấn cao áp vì ở đó dòng điện nhỏ nên dễ thực hiện Ở các máy biến

áp cho phép điều chỉnh số vòng dây trong phạm vi ± 5% nhờ chuyển mạch

2.7 MÁY BIẾN ÁP BA PHA

Để biến đổi điện áp trong hệ thống mạch điện xoay chiều ba pha, người ta sử dụng máy biến áp ba pha

2.7.1 Cấu tạo của máy biến áp ba pha.

Hình 2-18 Đồ thị đặc tính ngoài của

máy biến áp.

Hình 2-21 Máy biến áp ba pha mạch từ riêng.

Để đơn giản và thuận tiện, người ta quy ước ký hiệu dây quấn của máy biến áp như sau:

Hình 2-23 Cách quy ước các đầu đầu Hình 2-24 Điện áp dây không

và đầu cuối của dây quấn ba pha đối xứng lúc ký hiệu ngược

hay dấu ngược một pha.

+ Điện áp định mức: U1đm, U2đm là điện áp dây định mức

+ Dòng điện định mức: I1đm, I2đm là dòng điện dây định mức

+ Sđm là công suất toàn phần của cả ba pha

+ P0, Pn là công suất tổn hao không tải và ngắn mạch cho cả ba pha

Nhưng điện trở, điện kháng, tổng trở chỉ ký hiệu cho một pha

2.7.2 Các kiểu đấu dây của máy biến áp ba pha.

Dây quấn sơ cấp và thứ cấp có thể nối theo hình sao (Y) hoặc hình tam giác (Δ)

1 Đấu hình sao (Y): Đấu ba đầu cuối X, Y, Z lại với nhau.

Hình 2-25 Đấu sao (Y) Hình 2-26 Đấu tam giác (Δ).

2 Đấu hình sao (Δ):

Đấu điểm đầu của pha này với điểm cuối của pha kia (hình 2-26)

3 Đấu zíc – zắc (Z): Mỗi pha dây quấn máy biến áp gồm hai nữa cuộn dây trên hai

trụ khác nhau mắc nối tiếp và đấu ngược chiều nhau (hình 2-27) Kiểu dây này ít dùng vì tốn đồng nhiều hơn, loại này chủ yếu gặp nhiều trong máy biến áp dùng cho thiết bị chỉnh lưu

Hình 2-27 Đấu zíc – zắc.

2.7.3 Tổ nối dây của máy biến áp ba pha.

Tổ nối dây máy biến áp được hình thành do sự phối hợp kiểu dây quấn sơ cấp so với kiểu dây quấn thứ cấp Nó được biểu thị góc lệch pha giữa sức điện động dây của dây quấn sơ cấp và sức điện động dây của dây quấn thứ cấp và góc lệch pha này phụ thuộc vào các yếu tố sau:

+ Chiều quấn dây;

+ Cách ký hiệu các đầu dây ra;

+ Kiểu nối dây quấn sơ cấp và thứ cấp

a) Nối Δ/Y b) Nối Y/Y c) Nối Δ/Δ

Hình 2-28 Sơ đồ nối dây máy biến áp ba pha.

Xét máy biến áp một pha hai dây quấn (hình 2-29); sơ cấp: AX; thứ cấp: ax

Các trường hợp xảy ra như sau:

a) Hai dây quấn cùng chiều và ký hiệu tương ứng (hình 2-29a)

b) Hai dây quấn ngược chiều (hình 2-29b)

c) Đổi chiều ký hiệu một trong hai dây quấn (hình 2-29c)

Tổ nối dây máy biến áp một pha: kể từ véctơ sức điện động sơ cấp đến véctơ sức điện động thứ cấp theo chiều kim đồng hồ

+ Trường hợp a: lệch pha 3600.

+ Trường hợp b, c: lệch pha 1800

(a) (b) (c)

Hình 2-29 Tổ nối dây của máy biến áp một pha.

Tổ nối dây máy biến áp: Ở máy biến áp ba pha do nối sao (Y) và tam giác (Δ) với

những thứ tự khác nhau mà sức điện động dây quấn sơ cấp và sức điện động dây quấn thứ cấp là 300, 600, 900,…, 3600

Thực tế không dùng độ để chỉ góc lệch pha mà dùng kim đồng hồ (hình 2-30) để biểu thị và gọi tên tổ nối dây máy biến áp, cách biểu thị như sau:

+ Kim dài cố định ở con số 12, chỉ sức điện động sơ cấp

Trường hợp máy biến áp ba pha:

+ Máy biến áp ba pha nối Y/Y:

Ví dụ 1: Một máy biến áp ba pha có dây quấn sơ cấp và dây quấn thứ cấp nối hình

sao, cùng chiều dây quấn và cùng ký hiệu các đầu dây (hình 2-31) thì véctơ sức điện động pha giữa hai dây quấn hoàn toàn trùng nhau và góc lệch pha giữa hai điện áp dây

sẽ bằng 3600 hay 00 Ta nói máy biến áp tổ nối dây 12 và ký hiệu Y/Y-12 hay Y/Y-0 Để nguyên dây quấn sơ cấp, dịch ký hiệu dây quấn thứ cấp a→b, b→c, c→a ta có tổ nối dây Y/Y-4, dịch tiếp một lần nữa ta có tổ nối dây Y/Y-8 Nếu đổi chiều dây quấn thứ cấp ta

có tổ nối dây Y/Y-6, 10, 2 Như vậy khi máy biến áp nối Y/Y, ta có tổ nối dây chẵn

Hình 2-30 Phương pháp

ký hiệu tổ nối dây bằng kim đồng hồ.

Hình 2-31 Tổ nối dây Y/Y-12.

+ Máy biến áp ba pha nối Y/Δ:

Ví dụ 2: Một máy biến áp ba pha có dây quấn sơ cấp nối hình sao và dây quấn thứ

cấp nối hình tam giác, cùng chiều dây quấn và cùng ký hiệu các đầu dây (hình 2-32) thì véctơ sức điện động pha giữa hai dây quấn hoàn toàn trùng nhau và góc lệch pha giữa hai điện áp dây sẽ bằng 3300 Ta nói máy biến áp tổ nối dây 11 và ký hiệu Y/Δ -11 Để nguyên dây quấn sơ cấp, dịch ký hiệu dây quấn thứ cấp a→b, b→c, c→a thì ta có tổ nối dây Y/Δ -3, dịch tiếp một lần nữa ta có tổ nối dây Y/Δ-7 Nếu đổi chiều dây quấn thứ cấp

ta có tổ nối dây Y/Δ-5, 9, 1 Như vậy khi máy biến áp nối Y/Δ, ta có tổ nối dây lẻ

Hình 2-32 Tổ nối dây Y/Δ-11.

2.8 MÁY BIẾN ÁP LÀM VIỆC SONG SONG

Khi công suất của phụ tải tăng lên, người ta cần phải đặt thêm máy biến áp mới và nối song song với máy biến áp đang làm việc Nhờ làm việc song song công suất lưới điện lớn hơn

nhiều so với công suất mỗi máy, cho phép

nâng cao hiệu quả kinh tế của hệ thống điện, đảm bảo cung cấp điện liên tục, cũng như bảo dưỡng, sửa chữa định kỳ các máy biến áp Khi tải giảm xuống

có thể cho một máy nghỉ để các máy còn lại mang tải định mức, nâng cao được hiệu suất của các máy

2-33)

Máy biến áp làm việc song song tốt nhất nếu điện áp thứ cấp của chúng bằng nhau về trị số và trùng nhau về góc pha và nếu tải

được phân phối theo tỉ lệ công suất máy giống nhau (hay hệ số tải bằng nhau) Muốn

vậy phải có các điều kiện: cùng tổ nối dây, hệ số biến đổi điện áp k, và điện áp ngắn mạch un như nhau

2.8.1 Điều kiện cùng tổ nối dây.

Cùng tổ nối dây điện áp thứ cấp sẽ trùng pha nhau Khác tổ nối dây điện áp thứ cấp

sẽ lệch pha nhau, và sự lệch pha này phụ thuộc vào tổ nối dây

Ví dụ: Nối hai máy biến áp: máy thứ nhất I nối Y/Δ-11 và máy thứ hai II nối

Y/Y-12 làm việc song song Vậy điện áp thứ cấp hai máy sẽ lệch pha nhau một góc 300, trong mạch nối liền dây quấn thứ cấp sẽ xuất hiện một sức điện động:

ΔE = 2Esin150 = 0,518E (2-74)

Khi máy không tải, trong dây quấn sẽ có dòng điện cân bằng:

cb

nI nII

ΔEI

Như vậy dòng điện Icb = 5,18Iđm sẽ làm hỏng máy biến áp

Hình 2-33 Máy biến áp ba pha làm

việc song song.

Hình 2-34 Sơ đồ ghép song song Hình 2-35 Sơ đồ điện áp và dòng

khác nhau, làm việc song song.

2.8.2 Điều kiện cùng tỷ số biến đổi điện áp.

Nếu tỷ số biến đổi điện áp của hai máy khác nhau mà hai điều kiện còn lại thỏa mãn thì khi máy biến áp làm việc song song, điện áp thứ cấp không tải sẽ bằng nhau (E2I = E2II), trong mạch nối liền dây quấn thứ cấp của máy biến áp sẽ không có dòng điện chạy qua

Giả sử kI ≠ kII, thì E2I ≠ E2II và khi không tải, trong mạch nối liền dây quấn thứ cấp của máy biến áp sẽ có dòng điện Icb chạy qua được sinh ra bởi điện áp:

Hình 2-36 Đồ thị véctơ và sự phân phối tải của các máy biến áp.

Làm việc song song với k khác nhau a) Khi không tải b) Khi có tải.

Dòng điện này sẽ chạy trong dây quấn máy biến áp sẽ theo hai chiều ngược nhau và chậm pha một góc 900 và r << x Lúc này điện áp sẽ rơi trên dây quấn sẽ bù trừ với sức điện động, kết quả là trên mạch thứ cấp có điện áp thống nhất U2 (hình 2-36)