LUẬN văn sư PHẠM vật lý tìm HIỂU CHUNG về máy BIẾN áp

Kỹ thuật đưa điện năng đi xa bằng đường dây siêu cao áp ngày càng được hoàn chỉnh và phát triển, thì việc xây dựng các nhà máy phát điện không bị hạn chế bởi vị trí của xí nghiệp công ng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA SƯ PHẠM

.

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

TÌM HIỂU CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP

Giáo viên hướng dẫn:

Thầy Th.s LÊ VĂN NHẠN

Cần Thơ 2013

Sinh viên thực hiện:

NGUYỄN QUÍ TRỌNG HUYÊN MSSV: 1090207

Lớp: SP LÝ - K35

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian nghiên cứu đề tài “Tìm hiểu chung về máy biến áp”, em đã được sự hướng dẫn tận tình

của giáo viên hướng dẫn và thầy cô bộ môn Vật Lý đã giúp em

hoàn thành tốt đề tài của mình

Em xin chân thành cảm ơn thầy LÊ VĂN NHẠN đã nhiệt tình hướng dẫn, động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện

thuận lợi để em hoàn thành tốt luận văn này

Xin gởi đến các thầy lời biết ơn sâu sắc vì đã đọc tài liệu và góp ý vào luận văn này để em khắc phục những sai sót

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô và các bạn lớp sư phạm Vật Lý K35 đã đóng góp ý kiến cho em

hoàn thành tốt đề tài của mình

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ………1

MỤC LỤC ……… 2

PHẦN MỞ ĐẦU……… ………4

PHẦN NỘI DUNG ……… 6

Chương 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN………….……… 6

1.1 Định nghĩa và phân loại máy điện ……… ………… … ………6

1.1.1 Định nghĩa………… ……….6

1.1.2 Phân loại máy điện ………….……… 6

1.2 Các định luật cảm ứng điện từ cơ bản dùng trong máy điện… … …….…8

1.2.1 Định luật cảm ứng điện từ ……… ……… 8

1.2.2 Định luật lực điện từ 9

1.3 Nguyên lý làm việc của máy phát điện và động cơ điện.……….… 10

1.3.1 Nguyên lý làm việc của máy phát điện 10

1.3.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện 11

1.4 Định luật mạch từ……… 12

1.5 Các vật liệu chế tạo máy điện……… …… ………14

1.5.1 Vật liệu dẫn điện 14

1.5.2 Vật liệu dẫn từ 15

1.5.3 Vật liệu cách điện……… ……….15

1.5.4 Vật liệu kết cấu…… ………16

1.6.Phát nóng và làm mát máy điện……… 17

Chương 2: NGUYÊN LÝ VÀ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP………18

2.1 Khái niệm chung về máy biến áp ……… …18

2.1.1 Vai trò và công dụng ………18

2.1.2 Định nghĩa ……… 19

2.2 Nguyên lý làm việc của máy biến áp lý tưởng ……… 19

2.3 Cấu tạo máy biến áp ……… 21

2.3.1 Lõi máy biến áp 21

2.3.2 Dây quấn máy biến áp ……… 21

2.3.3 Vỏ máy biến áp 22

2.4 Các đại lượng định mức của máy biến áp 23

2.5 Các loại máy biến áp chính 23

Chương 3: MÁY BIẾN ÁP BA PHA……… ……… 24

3.1 Khái niệm chung 24

3.2 Ti số máy biến áp 24

3 3 Tổ nối dây của máy biến áp……….24

3.3.1 Cách ký hiệu các đầu dây 25

3.3.2 Các kiểu đấu dây quấn 25

3.3.3 Tổ nối dây của máy biến áp bap ha……… 26

3.4 MẠCH TỪ MÁY BIẾN ÁP……….28

3.4.1 Các dạng mạch từ máy biến áp……… ……28

3.4.2.Những hiện tượng xuất hiện khi từ hóa loi thép máy biến áp……… 29

Chương 3: QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MÁY BIẾN ÁP ……… 33

4.1 Các phương trình cân bằng của máy biến áp ……… 33

4.1.1 Phương trình cân bằng điện áp (suất điện động) 33

4.1.2 Phương trình cân bằng suất từ động 34

4.2 Đồ thị vectơ của máy biến áp 34

4.2.1.Khi máy biến áp không tải……….35

4.2.2.Khi máy biến áp mang tải……… 35

Chương 5: HIỆU SUẤT VÀ LÀM VIỆC SONG SONG CỦA MÁY BIẾN ÁP.36 5.1 Hiệu suất của máy biến áp 36

5.2 Máy biến áp làm việc song song 37

5.2.1.Cùng tổ nối dây……….37

5.2.2.Cùng tỉ số máy biến áp……… 38

Chương 6: QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ TRONG MÁY BIẾN ÁP 40

6.1 Khái niệm chung 40

6.2 Quá dòng điện 40

6.3 Quá điện áp trong máy biến áp 41

Chương 7: MÁY BIẾN ÁP ĐẶC BIỆT………42

7.1 Máy biến áp hàn… .42

7.2 Máy biến áp tự ngẫu 43

7.3 Máy biến điện áp 43

7.4 Máy biến dòng điện 44

CHƯƠNG 8: CÁCH TÍNH TOÁN QUẤN DÂY MÁY BIẾN ÁP CÔNG SUẤT NHỎ……… 45

8.1.Yêu cầu thực hiện……… …… 45

8.2 Mục đích thực hiện……….45

8.3 Nội dung thực hiện……… 45 8.4.Ví dụ quấn máy biến áp………49 PHẦN KẾT LUẬN……… ….50

PHẦN MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

1.1 Hoàn cảnh thực tế

Ngày nay với sự phát triển như vũ bão của khoa học và kỹ thuật, con người

đã làm được rất nhiều điều mà trước đây những điều đó chỉ nằm trong trí tưởng tượng Thật vậy, nếu như ngày xưa người ta phải mất hàng tháng, hàng năm để

di chuyển từ vùng này sang vùng khác, để di chuyển từ Quốc gia này sang Quốc gia khác, thì ngày nay không mất quá nhiều thời gian để thực hiện được điều đó bằng các loại phương tiện giao thông hiện đại như: ô tô, máy bay, tàu thủy, xe điện ngầm…Những loại máy móc thiết bị trên ngày càng được ứng dụng rộng rãi, phổ biến và gắn liền với cuộc sống của chúng ta Sự phát triển của khoa học

kỹ thuật,kinh tế, công nghiệp, nông nghiệp, đời sống gắn liền với việc tiêu thụ năng lượng, trong đó điện năng chiếm một tỉ trọng rất lơn Hơn 90% năng lượng điện được sử dụng trong đời sống là năng lượng điện xoay chiều Trong nhà máy điện và trạm biến áp nguồn điện một chiều đóng vai trò rất quan trọng Vì điện năng đã trở thành nguồn năng lượng của tất cả các ngành kinh tế quốc dân và sinh hoạt hằng ngày của con người, do đó nảy sinh ra yêu cầu cung cấp điện cho các xí nghiệp, nông thôn, thành phố Kỹ thuật đưa điện năng đi xa bằng đường dây siêu cao áp ngày càng được hoàn chỉnh và phát triển, thì việc xây dựng các nhà máy phát điện không bị hạn chế bởi vị trí của xí nghiệp công nghiệp, thành phố lớn, mà các nhà máy điện được xây dựng tập trung, có công suất lớn tại những nơi có nguồn nhiên liệu (than,dầu,khí,nước) Do đó hình thành hệ thống điện, và việc cung cấp điện cho các khu công nghiệp, cho thành phố, nông thôn được đảm bảo hơn, kinh tế hơn, nhưng cũng trở nên phức tạp hơn

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài được thực hiện với mong muốn trình bày những kiến thức cơ bản về cấu tạo nguyên lý hoạt động và những ứng dụng của máy biến áp

1.3 Các giả thuyết của đề tài

Nội dung của đề tài là tìm hiểu máy biến áp nhưng tìm hiểu điều đó trước tiên phải nghiên cứu về máy điện

2 CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

 Thu thập tài liệu ở thư viện trường, thư viện khoa, nhà sách

 Tham khảo ý kiến của thầy hướng dẫn, thầy cô trong bộ môn

 Tham khảo tài liệu có liên quan, chọn lọc ý hay, sát với nội dung đề tài

3 CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH

 Nhận đề tài

 Sưu tầm tài liệu, tham khảo ý kiến của thầy hướng dẫn

 Tiến hành nghiên cứu chọn lọc, sắp xếp nội dung đề tài

 Lập đề cương cụ thể

 Trao đổi nội dung với giáo viên hướng dẫn

 Tập hợp ý kiến của giáo viên hướng dẫn, tài liệu tham khảo, viết đề tài, đánh máy, nộp bản thảo, chỉnh sửa

 Nộp đề tài cho giáo viên phản biện, tham khảo ý kiến, chỉnh sửa

 Viết báo cáo, tóm tắt đề tài, tập báo cáo thử

 Nộp đề tài cho hội đồng bảo vệ

 Bảo vệ đề tài

PHẦN NỘI DUNG

CHƯƠNG MỘT

KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN

1.1 ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN

1.1.1 Định nghĩa

Máy điện là thiết bị điện từ , nguyên lý làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Về cấu tạo gồm mạch từ (lõi thép), mạch điện (dây quấn) Ứng dụng dùng để biến đổi các dạng năng lượng như cơ năng thành điện năng và ngược lại

Ngoài ra dùng để biến đổi điện áp, dòng điện, tần số, số pha …

1.1.2 Phân loại

Có nhiều cách phân loại (theo công suất, cấu tạo, chức năng, dòng điện, nguyên lý làm việc …) Nhưng tổng quát và cơ bản nhất đó là dựa vào nguyên lý biến đổi năng lượng thì máy điện được chia làm các loại sau:

Ví dụ: Máy biến áp biến đổi các thông số U1, I1, f thành U2, I2, f hoặc ngược lại

Hình 1.1:Sơ đồ biểu diễn tính thuận nghịch của máy biến áp và kí hiệu của nó

trên sơ đồ điện

b Máy điện quay

-Nguyên lý làm việc dựa trên 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 Thường gặp trong thực tế là động cơ hoặc máy phát

Hình 1.2: Sơ đồ biến đổi thuận nghịch của máy điện

Hình 1.3: Sơ đồ phân loại các máy điện thường gặp

P điện

Máy điện

P cơ

Máy điện

Máy điện xoay chiều Máy điện một chiều

Máy điện không đồng bộ

Máy điện đồng bộ

bộ

Máy phát không đồng

bộ

Động

cơ đồng

bộ

Động

cơ một chiều

Máy phát một chiều

Máy phát đồng

bộ

1.2 CÁC ĐỊNH LUẬT CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ CƠ BẢN DÙNG

TRONG MÁY ĐIỆN

1.2.1 Định luật cảm ứng điện từ

a Trường hợp từ thông biến thiên xuyên qua vòng dây

Khi từ thông Φ = Φ(t) xuyên qua vòng dây biến thiên trong vòng dây sẽ cảm ứng sức điện động e(t) Suất điện động đó có chiều sao cho dòng điện do nó sinh ra tạo ra từ thông chống lại sự biến thiên của từ thông sinh ra nó (hình 1.4)

Hình 1.4: Chiều dương suất điện động cảm ứng phù hợp với từ thông theo qui

e =

dt

d dt

d

N  

 (1.2)

Trong đó,  N   (Wb) gọi là từ thông móc vòng của cuộn dây

Đơn vị của từ thông là Webe (Wb), đơn vị của suất điện động là Vôn (V)

b Trường hợp thanh dẫn chuyển động thẳng góc trong từ trường

Khi thanh dẫn chuyển động thẳng góc với đường sức từ trường (đó là trường hợp thường gặp nhất trong máy phát điện), trong thanh dẫn cảm ứng suất điện động có trị số là :

e = Blv (1.3)

trong đó : B: độ lớn của vectơ cảm ứng từ đo bằng Tesla (T)

l : chiều dài tác dụng của thanh dẫn (m)

v: vận tốc dài của thanh dẫn (m/s)

Còn chiều suất điện động cảm ứng xác định theo qui tắc bàn tay phải

Hình 1.5: Sơ đồ biểu diễn chiều của suất điện động

B: độ lớn của vectơ cảm ứng từ đo bằng Tesla (T)

l: chiều dài hiệu dụng của thanh dẫn đo bằng mét (m)

i: dòng điện chạy trong thanh dẫn đo bằng Ampe (A)

Fđt : lực điện từ đo bằng Newton (N)

Chiều của lực điện từ xác định theo quy tắc bàn tay trái

Hình 1.6 Sơ đồ biểu diễn chiều của lực điện từ

1.3 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN VÀ 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

Dùng động cơ sơ cấp tác dụng vào thanh dẫn một lực cơ học Fcơ , thanh dẫn

sẽ chuyển động với vận tốc v trong từ trường của nam châm N – S , trong thanh dẫn sẽ cảm ứng suất điện động cảm ứng e Nếu hai đầu thanh dẫn được nối với tải (R), sẽ có dòng điện i chạy qua thanh dẫn và tải Nếu bỏ qua điện trở của thanh dẫn và nối, điện áp đặt vào tải là:

Hình 1.7: Sơ đồ biểu diễn chiều của dòng điện trong từ trường của nam châm N

- S

Khi lực điện từ cân bằng lực cơ của động cơ sơ cấp, tức Fcơ = Fđt , máy sẽ quay đều

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

F cơ v = F đt v = B.l.i.v = e.i (1.7)

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

1.3.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện

Nếu đặt một điện áp U từ nguồn điện bên ngoài vào một thanh dẫn trong từ trường của nam châm N – S

Trong thanh dẫn sẽ có dòng điện i chạy qua theo định luật lực điện từ, thanh dẫn

sẽ chịu tác dụng của lực điện từ:

F đt = Bli

Và chuyển động với vận tốc v có chiều như hình vẽ:

Hình 1.8: Sơ đồ biểu diễn chiều của dòng điện trong thanh dẫn

Công suất điện đưa vào động cơ là:

P đ = ui = ei = Blvi = F đt v (1.8)

Nghĩa là, công suất điện Pđ = u.i đưa vào động cơ đã được biến thành công suất

cơ Pcơ = Fđtv trên trục động cơ, tức điện năng đã biến thành cơ năng trong động

cơ điện

1.4 ĐỊNH LUẬT MẠCH TỪ

Trong các máy điện, lõi thép là mạch từ của máy Mạch từ là mạch khép kín dùng để dẫn từ thông Định luật mạch từ là định luật dòng điện toàn phần áp dụng vào mạch từ Nội dung của định luật dòng điện toàn phần như sau:

Hình1.9.2 Mạch từ đồng nhất có một cuộn dây

Nếu H



là vectơ cường độ từ trường do một tập hợp dòng điện i1, i2, … ik, …, in tạo

ra và nếu L là một đường cong kín bao quanh chúng thì:

(1.9) Với



l

d là độ dời vi phân trên (L) Dấu của ik xác định theo qui tắc vặn nút chai:

quay cái vặn nút chai theo chiều



l

d , chiều tiến của vặn nút chai trùng với chiều dòng điện ik thì dòng điện ik mang dấu dương, còn ngược lại lấy dấu âm

Định luật dòng điện toàn phần áp dụng vào mạch từ đồng chất có một cuộn dây

như hình 1.9.1 ta có như sau:

µr= µ/ µo: độ từ thẩm tương đối của mạch từ

l (m): chiều dài trung bình của mạch từ

N: số vòng dây của cuộn dây

i (A): gọi là dòng điện từ hóa, tạo ra từ thông cho mạch từ

Cũng áp dụng định luật dòng điện toàn phần vào mạch từ gồm hai đoạn có chiều dài l1 và l2 tiết diện S1 và S2, hình 1.9.3,ta có:

H 1. l1 – H 2 l2 =N 1 i 1 – N 2 i 2 (1.11)

Trong đó:

H1, H2 (A/m): cường độ từ trường tương ứng trong đoạn mạch từ 1, 2

l1, l2 (m): chiều dài trung bình của đoạn mạch 1, 2

N1.i1 , N2 i2 (A): suất từ động của cuộn dây 1, 2

Một cách tổng quát, mạch từ gồm m đoạn ghép nối tiếp định luật mạch từ được viết:

1.5 CÁC VẬT LIỆU CHẾ TẠO MÁY ĐIỆN

Vật liệu chế tạo máy điện gồm vật liệu cấu trúc, vật liệu tác dụng và vật liệu cách điện, vật liệu kết cấu Vật liệu cấu trúc là vật liệu để chế tạo các chi tiết chịu các tác động cơ học như trục, ổ trục, thân máy, nắp Vật liệu tác dụng là vật liệu dùng để chế tạo những bộ phận dẫn điện và từ Vật liệu cách điện dùng để cách điện giữa phần dẫn điện với không dẫn điện và giữa các phần dẫn điện với nhau Còn vật liệu kết cấu là vật liệu để chế tạo các chi tiết chịu các tác động cơ học

1.5.1 Vật liệu dẫn điện

Vật liệu dẫn điện để chế tạo 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 photpho Dây đồng hoặc dây nhôm được chế tạo theo tiết diện tròn hoặc tiết diện chữ nhật có bọc cách điện, điện áp dưới 1000V thường dùng dây dẫn bọc êmay vì lớp cách điện của nó mỏng và đạt độ bền yêu cầu

1.5.2 Vật liệu dẫn từ

Vật liệu dẫn từ trong máy điện là vật liệu sắt từ như thép kỹ thuật điện, gang, thép đúc, thép rèn,…

Ở các phần dẫn từ có từ thông biến đổi với tần số 50Hz thường dùng thép lá

kỹ thuật điện dày 0,35  1mm, trong thành phần thép có từ 2  5% silic để tăng

từ trở của thép, giảm dòng điện xoáy Thép kỹ thuật điện được chế tạo bằng phương pháp cán nóng hoặc cán nguội Hiện nay thường dùng thép cán nguội để chế tạo các máy điện vì thép cán nguội có độ từ thẩm cao hơn và suất tổn hao nhỏ hơn thép cán nóng Trên hình 1.10 trình bày đường cong từ hóa của một số vật liệu dẫn từ khác nhau Cùng một dòng điện kích từ, ta thấy thép kĩ thuật điện

có từ cảm lớn nhất, sau đó là thép đúc và cuối cùng là gang

Ở các phần dẫn từ có từ thông thay đổi thường dùng thép đúc, thép rèn hoặc lá thép

Hình 1.10 Đường cong từ hóa của một số vật liệu

1.5.3 Vật liệu cách điện

Vật liệu cách điện trong máy điện phải có cường độ cách điện cao , chịu nhiệt tốt, tản nhiệt tốt, chống ẩm và bền về cơ học Cách điện bọc dây dẫn chịu được nhiệt độ cao thì nhiệt độ cho phép của dây càng lớn và dây dẫn chịu được dòng tải lớn

Chất cách điện của máy điện phần lớn ở thể rắn và gồm có 4 nhóm:

a) Chất hữu cơ thiên nhiên như giấy, lụa

b) Chất vô cơ như amiăng, mica, sợi thủy tinh

c) Các chất tổng hợp

d) Các loại men và sơn cách điện

Chất cách điện tốt nhất là mica nhưng đắt Giấy, vải, sợi… rẻ nhưng dẫn nhiệt

và cách điện kém, dễ bị ẩm Vì vậy chúng phải được tẩm sấy để cách điện tốt hơn

Căn cứ độ bền nhiệt, vật liệu cách điện được chia ra các cấp như sau:

- Cấp Y: Nhiệt độ cho phép là 900C, bao gồm bông, giấy, vải, tơ lụa, sợi tổng hợp, không được tẩm sấy bằng sơn cách điện

- Cấp A: Nhiệt độ cho phép là 1500C, bao gồm vải sợi xenlulô, sợi tự nhiên hoặc nhân tạo được qua tẩm sấy bằng sơn cách điện

- Cấp E: Nhiệt độ cho phép là 1200C, bao gồm màng vải, sợi tổng hợp gốc hữu cơ có thể chịu được nhiệt độ tương ứng

- Cấp B: Nhiệt độ cho phép là 1300C, bao gồm các vật liệu gốc mica, sợi thủy tinh hoặc amiăng được liên kết bằng sơn hoặc nhựa gốc hữu cơ có thể chịu được nhiệt độ tương ứng

- Cấp F: Nhiệt độ cho phép là 1550C, giống như B nhưng được tẩm sấy và kết dính bằng sơn hoặc nhựa tổng hợp có thể chịu được nhiệt độ tương ứng

- Cấp H: Nhiệt độ cho phép là 1800C, giống như B nhưng dùng sơn tẩm sấy hoặc chất kết dính gốc silic hữu cơ hoặc các chất tổng hợp có khả năng chịu được nhiệt độ tương ứng

- Cấp C: Nhiệt độ cho phép là >1800C, bao gồm các vật liệu gốc mica, thủy tinh và các hợp chất của chúng dùng trực tiếp không có chất liên kết Các chất vô cơ có phụ gia liên kết bằng hữu cơ và các chất tổng hợp có khả năng chịu được nhiệt độ tương ứng

Ngoài ra còn có chất cách điện ở thể khí (không khí) và thể lỏng ( dầu biến áp) Khi máy điện làm việc, do tác động của nhiệt độ, chấn động và các tác động lý hóa khác cách điện sẽ bị lão hóa nghĩa là mất dần các tính bền về điện và cơ Thực nghiệm cho biết, khi nhiệt độ tăng quá nhiệt độ làm việc cho phép 8-100C thì tuổi thọ của vật liệu cách điện giảm đi một nửa

1.6 PHÁT NÓNG VÀ LÀM MÁT MÁY ĐIỆN

Trong quá trình biến đổi năng lượng luôn có sự tổn hao Tổn hao trong máy điện gồm tổn hao sắt từ (do hiện tượng từ trễ và dòng xoáy) trong thép, tổn hao đồng trong dây quấn và tổn hao do ma sát ( ở máy điện quay) Tất cả các tổn hao năng lượng đều biến thành nhiệt làm cho máy điện nóng lên

Để làm mát máy điện, phải có biện pháp tản nhiệt ra môi trường xung quanh Sự tản nhiệt không những phụ thuộc vào sự đối lưu không khí xung quanh hoặc của môi trường làm mát khác như dầu máy biến áp… Thường vỏ máy điện được chế tạo có các cánh tản nhiệt và máy điện 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, tuổi thọ của máy khoảng 20 năm

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

CHƯƠNG HAI NGUYÊN LÝ VÀ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP

2.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP: 2.1.1 Vai trò và công dụng:

_ Truyền tải điện năng là quá trình truyền tải điện năng từ các trung tâm

sản xuất điện (các nhà máy phát điện: thủy điện, nhiệt điện, điện nguyên tử,….)đến nơi tiêu thụ 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 điện 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

Ta có, dòng điện truyền tải trên đường dây:

I = P/(Ucos )

Và tổn hao công suất trên đường dây là:

) cos

2 2



U P R I R



-Trong đó: P là công suất truyền tải trên đường dây; U là điện áp truyền tải của lưới điện; Rd là điện trở đường dây tải điện và cos là hệ số công suất của lưới điện, còn  là gốc lệch pha giữa dòng điện I và điện áp U

-Từ các công thức trên cho 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 được 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 35, 110, 220, 500 kV Trên thực tế các máy điện chỉ phát ra điện áp từ 321 kV, do đó phải có thiết bị tăng điện áp ở đầu đường dây Mặt khác các hộ tiêu thụ thường yêu cầu điện thế thấp,từ 0.46 kV,

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 áp ở cuối đường dây gọi là máy biến áp

2.1.2 Định nghĩa:

-Máy biến áp là thiết bị điện 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 đổi

2.2 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP LÝ TƯỞNG:

-Máy biến áp lý tưởng có các tính chất sau:

a Cuộn dây không có điện trở

b Từ thông chạy trong lõi thép móc vòng với hai dây quấn, không có

từ thông tản và không có tổn hao trong lõi thép

c Độ từ thẩm của lõi thép lớn ( ), như vậy dòng từ hóa cần phải có để sinh ra từ thông trong lõi thép là rất nhỏ không đáng kể,

do vậy suất điện động cần để sinh ra từ thông trong lõi thép cho bằng không

Hình 2.2 Vẽ sơ đồ nguyên lý của máy biến áp một pha hai dây quấn

-Dây quấn một có N1 vòng dây được nối với nguồn điện áp xoay chiều U1, gọi là dây quấn sơ cấp Ký hiệu các đại lượng phía dây quấn sơ cấp đều có con số

1 kèm theo như u1, i1, e1,… Dây quấn 2 có N2 vòng dây cung cấp điện cho phụ tải

Zt, gọi là dây quấn thứ cấp Ký hiệu các đại lượng phía dây quấn thứ cấp đều có con số 2 kèm theo như u2, i2, e2,…

-Đặt điện áp xoay chiều u1 vào dây quấn sơ cấp, trong dây quấn sơ cấp sẽ

có dòng điện i1 Trong lõi thép sẽ có từ thông  móc vòng với cả hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp, cảm ứng ra các suất điện động e1 và e2 Khi máy biến áp có tải, trong dây quấn sơ cấp sẽ có dòng điện i2 đưa ra tải với điện áp là u2 Từ thông 

móc vòng với cả hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp gọi là từ thông chính

-Giả sử điện áp u1 sin nên từ thông  cũng biến thiên sin, ta có:

2 ) 90

1 1

dt

d N

) 90 sin(

2 ) 90

2 2

dt

d N

-Trong đó, E1, E2 là trị số hiệu dụng của suất điện động sơ cấp và thứ cấp, cho bởi:

m m

1

N

N E

E

-Nếu giả thiết máy biến áp đã cho là máy biến áp lý tưởng, nghĩa là bỏ qua

sự sụt áp gây ra do điện trở và từ thông tản của dây quấn thì E 1 U1 và

2

2 U

E  :

k N

N E

-Nếu N2 > N1 thì U2 > U1 và I2 < I1 : máy biến áp tăng áp

-Nếu N2 < N1 thì U2 < U1 và I2 > I1 : máy biến áp giảm áp

2.3 CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP:

-Máy biến áp có các bộ phận chính sau đây: lõi thép, dây quấn và vỏ máy

2.3.1 Lõi máy biến áp

Hình 2.3 Mạch từ máy biền áp kiễu lỏi: a) một pha b)ba pha

-Lõi thép máy biến áp dùng để dẫn từ thông, được chế tạo từ các vật liệu dẫn từ tốt,thường là thép kỹ thuật điện có bề dày từ 0.35 1 mm, mặt ngoài các

lá thép có sơn cách điện rồi ghép lại với nhau thành lõi thép Lõi thép gồm hai phần: Trụ và Gông (hình 1.3) Trụ T là phần đế đặt dây quấn còn Gông G là phần nối liền giữa các trụ để tạo thành mạch từ kín

2.3.2 Dây quấn máy biến áp:

Hình 2.4 Dây quấn máy biến áp (c) (d)

-Nhiệm vụ của dây quấn máy biến áp là nhận năng lượng vào và truyền năng lượng ra Dây quấn máy biến áp thường làm bằng dây dẫn đồng hoặc nhôm, tiết diện tròn hay chữ nhật, bên ngoài dây dẫn có bọc cách điện Dây quấn gồm nhiều vòng dây và lồng vào trụ thép Giữa các vòng dây, giữa các dây quấn và giữa dây quấn và lõi thép đều có cách điện Máy biến áp thường có hai hoặc nhiều dây quấn Khi các dây quấn đặt trên cùng một trụ thì dây quấn điện áp thấp đặt sát trụ thép còn dây quấn điện áp cao đặt bên ngoài Làm như vậy sẽ giảm được vật liệu cách điện

-Dây quấn máy biến áp có hai loại chính:

a Dây quấn đồng tâm: Ở dây quấn đồng tâm có tiết diện ngang là những vòng tròn đồng tâm Những kiểu dây quấn đồng tâm chính gồm: dây quấn hình trụ (hình 2.4 a,b),dùng cho cả dây quấn cao áp

và hạ áp; dây quấn hình xoắn (hinh 2.4 c,), dùng cho dây quấn hạ

áp có nhiều sợi chập; dây quấn hình xoáy ốc liên tục (hình 2.4 d), dùng chi dây quấn cao áp, tiết diện dây dẫn hình chữ nhật

b Dây quấn xen kẽ: các bánh dây cao áp và hạ áp lần lượt xen kẽ nhau dọc theo trụ thép

2.3.3 Vỏ máy biến áp:

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

a Thùng máy biến áp: trong thùng máy biến áp (hình 1-5) đặt lõi thép ,dây quấn và dầu biến áp Dầu máy biến áp làm nhiệm vụ tăng cường cách điện và giảm 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 máy biến áp sang dầu và từ dầu qua vách thùng ra môi trường xung quanh

b Nắp thùng máy biến áp: Dùng để đậy trên thùng và trên đó có các

bị hỏng

+ Lỗ nhỏ đặt nhiệt kế

+ Rơ le hơi dùng để bảo vệ máy biến áp

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

2.4 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐỊNH MỨC CỦA MÁY BIẾN ÁP:

-Các đại lượng định mức của máy biến áp qui định điều kiện kỹ thuật của máy Các đại lượng này do nhà máy chế tạo qui định và ghi trên nhãn của máy biến áp

+Dung lượng (công suất định mức) Sđm (VA hay kVA) là công suất toàn phần hay biểu kiến đưa ra ở dây quấn thứ cấp của máy biến áp

+Điện áp dây sơ cấp định mức U1đm (V,kV) là điện áp của dây quấn sơ cấp

+Điện áp dây thứ cấp định mức U2đm (V,kV) là điện áp của dây quấn thứ cấp khi máy biến áp không tải và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức U1=U1đm

+Dòng điện dây sơ cấp định mức I1đm (A,kA) và thứ cấp định mức I2đm

là những dòng điện dây của dây quấn sơ cấp và thứ cấp ứng với công suất và điện áp định mức

-Đối với máy biến áp một pha:

đm

đm đm

U

S I

1

1  ;

đm

đm đm

U

S I

U

S I

U

S I

-Ngoài ra trên nhãn máy biến còn ghi các số liệu khác nhau như: tần số, số pha, sơ đồ, và tổ nối dây…

2.5 CÁC LOẠI MÁY BIẾN ÁP CHÍNH:

+Máy biến áp điện lực để truyền tải và phân phối công suất trong hệ thống điện lực

+Máy biến áp chuyên sử dùng ở lò luyện kim, các thiết bị chỉnh lưu, máy biến áp hàn…

+Máy biến áp tự ngẫu dùng để liên lạc trong hệ thống điện, mở máy động cơ không đồng bộ công suất nhỏ

+Máy biến áp đo lường dùng để giảm các điện áp và dòng điện lớn đưa vào các dụng cụ đo tiêu chuẩn

+Máy biến áp thí nghiệm dùng để thí nghiệm điện áp cao

CHƯƠNG BA MÁY BIẾN ÁP BA PHA 3.1 KHÁI NIỆM CHUNG:

-Để biến đổi của hệ thống xoay chiều ba pha người ta có thể dùng ba máy biến áp

một pha Nhưng sử dụng ba máy riêng biệt như vậy không kinh tế Vì vậy, máy biến áp ba pha rất thông dụng

-Nguyên lý làm việc của máy biến áp ba pha cũng giống như máy biến áp một pha Các phương trình và sơ đồ vecto của mỗi pha của máy biến áp ba pha cũng giống như máy biến áp một pha

-Dây quấn ba pha sơ cấp và thứ cấp có thể đấu sao hay tam giác Nếu đấu sao số vòng dây và cách điện cho mỗi pha được tính theo điện áp pha và tiết diện dây dẫn được tính theo dòng điện dây Nếu đấu tam giác thì cách tính ngược lại

-Vì vậy khi điện áp cao dòng điện nhỏ thì đấu sao có lợi hơn đấu tam giác

-Dòng điện và điện áp định mức ghi trên máy là dòng điện và điện áp dây

-Để máy biến áp ba pha có thể làm việc được, các dây quấn sơ cấp và thứ cấp phải nối với nhau theo một quy tắt nhất định Ngoài ra, việc phối hợp kiểu nối dây quấn sơ cấp với kiểu nối dây quấn thứ cấp cũng hình thành các tổ dây quấn khác nhau Hơn nữa, khi thiết kế máy biến áp, việc quyết định tổ nối dây quấn cũng phải thích ứng với kiểu kết cấu của mạch từ để tránh những hiện tượng không tốt như suất điện động không sin, tổn hao phụ tăng…

-Trong chương này ta sẽ lần lượt xét các loại tổ nối dây và mạch từ, đồng thời xét các hiện tượng xảy ra khi từ hóa lõi thép và nêu lên cách tính toán mạch từ của máy biến áp

3.2 Tỷ số máy biến áp

-Đối với máy biến áp ba pha tỷ số máy biến áp là tỷ số giữa điện áp dây cuộn sơ

và thứ Tỷ số này phụ thuộc vào số vòng trên hai cuộn và cách đấu

Ví dụ: nếu máy đấu Y/Y thì

2 1

2 1

U U

U K

p p d



Nếu máy đấu Y/ thì

2 1

2 1

2

N

N U

U U

U K

p p d



3.3 TỔ NỐI DÂY MÁY BIẾN ÁP:

-Để nghiên cứu tổ nối dây máy biến áp, trước hết ta phải xét ký hiệu các đầu dây và cách đấu dây quấn ba pha với nhau