GT.MÁY ĐIỆN 1. 2013

Máy điện có phần động - Loại máy điện này thường dùng để biến đổi năng lượng: Động cơ, máy phát điện - Nguyên lý làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, lực điện từ, do từ trường v

Chương 1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN

1 Các định luật điện từ dùng trong máy điện

- Chiều của sức điện động này được xác định theo qui tắc bàn tay phải

Hình 1.1 Xác định chiều sức điện động theo qui tắc bàn tay phải

1.2 Định luật điện từ

Khi thanh dẫn mang dòng điện đặt thẳng góc với đường sức từ trường thì thanh dẫn sẽchịu một lực điện từ tác dụng vuông góc có trị số là:

Fđt = Bil Trong đó: Fđt là lực điện từ (N) , B là từ cảm (T)

i là dòng điện (A) , l là chiều dài thanh dẫn (m)

- Chiều của lực điện từ được xác định theo qui tắc bàn tay trái

Hình 1.2 Xác định lực điện từ theo qui tắc bàn tay trái

2 Định nghĩa và phân loại máy điện

2.1 Định nghĩa

- Máy điện là thiết bị điện từ có nguyên lý làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ

- Về cấu tạo máy điện gồm mạch từ (lõi thép) và mạch điện (các dây quấn)

- Dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng (động cơ điện) hoặc ngược lại (máy phátđiện)

2.2 Phân loại

Máy điện được phân loại theo nhiều cách như phân loại theo công suất, cấu tạo, dòngđiện hoặc nguyên lý làm việc nhưng chủ yếu là phân loại theo nguyên lý làm việc

a Máy điện tĩnh

- Máy điện tĩnh thường gặp là máy biến áp (MBA)

- Nguyên lý làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ do sự biến thiên từ thông giữacác cuộn dây không có chuyển động tương đối

- Máy điện tĩnh thường dùng để biến đổi điện năng

b Máy điện có phần động

- Loại máy điện này thường dùng để biến đổi năng lượng: Động cơ, máy phát điện

- Nguyên lý làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, lực điện từ, do từ trường vàdòng điện của các cuộn dây chuyển động tương đối với nhau gây ra

3 Nguyên lý máy phát điện và động cơ điện

3.1 Nguyên lý máy phát điện (biến đổi cơ năng thành điện năng)

Khi dây dẫn vuông góc với đường sức từ với vận tốc (V) thì trong dây dẫn suất hiện 1suất điện động cảm ứng: E = B.V.l

2

- Nếu mạch ngoài nối kín qua điện trở R (phụ tải) thì trong mạch có dòng điện cảm ứng,dòng này qua dây dẫn làm suất hiện 1 lực điện từ: F =B.I.l (chiều được xác định theo quy tắcbàn tay trái) Lực F có chiều cản trở sự chuyển động của dây dẫn.

Như vậy để dây dẫn tiếp tục chuyển động với vận tốc v ta phải tác dụng 1 lực bằng trị sốlực F nhờ 1 động cơ sơ cấp, công suất cơ do động cơ sơ cấp cung cấp cho động cơ sơ cấp là:

Pcơ = F.V = B.I.l.V = E.I = Pđiện

Kết quả là dây dẫn chuyển động trong từ trường đã có tác dụng biến công suất cơ năngcủa động cơ thành công suất điện năng của động cơ cung cấp cho phụ tải

Trong thực tế máy phát điện là thiết bị biến đổi cơ năng thành điện năng, nguồn cơ năng

có thể là động cơ tuabin hơi, tuabin nước, động cơ đốt trong, tuabin gió hoặc các nguồn cơnăng khác

3.2 Nguyên lý động cơ điện (Biến đổi điện năng thành cơ năng)

Giả sử có dây dấn đặt trong từ trường có cảm ứng từ (B), nối dây dẫn với nguồn điệntrong dây dẫn có dòng điện I dây dẫn sẽ chịu 1 lực tác dụng Khi đó

F = B.I.lChiều được xác định theo quy tắc bàn tay trái

Dưới tác dụng của lực F dây dẫn chuyển động với vận tốc (V) theo phương của F Khi dâydẫn chuyển động các từ trường trong dây dẫn sẽ xuất hiện suất điện động của chúng: E =B.l V

Chiều được xác định theo quy tắc bàn tay phải (E ngược chiều dòng điện I được gọi làsuất phản điện)

Áp dụng định luật Kiechôp ta có:

U = E + Ir.l

 U.I = EI + I2r

P = F.V + P  Pđ = Pcơ + PVậy đặt vào một công suất điện ta được 1 công suất cơ (biến điện năng thành cơ năng).Trong thực tế các động cơ điện là thiết bị biến đổi điện năng thành cơ năng Roto đóng vaitrò là thanh dẫn đặt trong từ trường có cảm ứng từ B của stato và quay theo chiều lực từ F tácdụng

4 Sơ lược về các vật liệu chế tạo máy điện

4.1 Vật liệu dẫn điện

- Là vật liệu dùng để chế tạo các bộ phận dẫn điện

- Vật liệu chủ yếu là đồng, nhôm, các hợp kim như đồng thau, đồng phốtpho hoặc thép

+ Chất hữu cơ thiên nhiên: giấy , vải lụa

+ Chất vô cơ : amiăng, mica, sợi thuỷ tinh

+ Các chất tổng hợp và các men, sơn cách điện

Để làm mát máy điện phải có biện pháp tản nhiệt ra môi trường xung quanh Sự tảnnhiệt không những phụ thuộc vào bề mặt làm mát của máy mà còn phụ thuộc vào sự đối lưukhông khí xung quanh hoặc của môi trường làm mát khác như dầu máy biến áp Thường vỏmáy điện có các cánh tản nhiệt để làm mát 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 độtăng nhiệt của vật liệu cách điện trong máy không vượt quá độ tăng nhiệt cho phép, đảm bảocho 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 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

4

Chương II MÁY BIẾN ÁP Bài 1 CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP

1 Khái niệm chung

a Định nghĩa

- Máy biến áp (MBA) là một thiết bị điện từ tĩnh, làm việc theo nguyện lý cảm ứng điện

từ, dùng để biến đổi điện áp của hệ thống dòng điện xoay nhưng vẫn giữ nguyên tần số

Hệ thống điện đầu vào máy biến áp (trước lúc biến đổi) có: điện áp U1, dòng điện I1, tần

số f Hệ thống điện đầu ra của máy biến áp (sau khi biến đổi) có: điện áp U2, dòng điện I2, tần

số f

b Công dụng và nhiệm vụ của MBA

- MBA đóng một vai trò rất quan trọng trong hệ thống điện

- Dùng để truyền tải và phân phối điện năng

MBA còn dùng để nâng cao điện áp hoặc giảm điện áp

MBA còn được sử dụng trong các lò nung, lò hàn điện và làm nguồn cho các thiết bị điện

2 Các đại lượng định mức của MBA

a Điện áp định mức: (U 1đm ; U 2đm )

- U1đm là điện áp định mức qui định cho dây quấn sơ cấp

- U2đm là điện áp định mức qui định cho dây quấn thứ cấp

- Khi dây quấn thứ cấp hở mạch thì điện áp đặt vào sơ cấp là định mức

- Với MBA 1 pha thì điện áp định mức là điện áp pha (Uđm = Upha), với MBA 3 pha thìđiện áp định mức là điện áp dây (Uđm = Udây),(V hoặc KV)

- Là công suất biểu kiến (toàn phần) định mức; kí hiệu: Sđm có đơn vị đo làVA, KVA

* Ngoài ra còn có các đại lượng khác là tần số định mức (fđm), sơ đồ nối dây và chế độ làmviệc

3 Cấu tạo MBA

Gồm 2 bộ phận chính: Bộ phận dẫn từ (lõi thép) và dẫn điện (dây quấn)

3.1 Lõi thép

Lõi thép máy biến áp dùng để dẫn từ thông chính của máy, được chế tạo từ những vật liệudẫn từ tốt, thường là thép kỹ thuật điện Các lá thép kỹ thuật điện có độ dày từ 0,35 - 0,5mm,hai mặt có sơn cách điện để giảm tổn hao của dòng Fucô và được ghép lại với nhau thành lõithép Tính chất lá thép kỹ thuật điện thay đổi theo hàm lượng Sillic, nếu hàm lượng Sillicnhiều thì tổn thất năng lượng càng ít nhưng giòn, cứng, khó gia công.

Lõi thép gồm hai bộ phận chính:

Trụ là nơi để đặt dây quấn

Gông là phần khép kín mạch từ giữa các trụ

- Trụ và gông tạo thành mạch từ khép kín

Theo hình dáng lõi thép, máy biến áp thường chia ra làm 2 loại:

+) Kiểu trụ (hình1.1a): Gồm các lá thép UI Trong kiểu này biến áp được quấn thành 2ống dây lồng vào hai trụ đứng Để nâng cao chất lượng truyền dẫn, cuộn sơ và cuộn thứthường được chia làm hai nửa đặt ở hai trụ Hai nửa của từng cuộn dây phải được nối sao cho

từ thông do chúng tạo ra trong mạch từ là cùng chiều

+ Kiểu bọc (hình 1.1b): Gồm các lá thép EI Trong kiểu này cuộn sơ cấp và thứ cấp đượcquấn chồng lên nhau thành một ống rồi lồng vào trụ giữa của chữ E Hai trụ bên có tiết diệnbằng nửa trụ giữa tạo thành 2 mạch từ nhánh đối xứng, mỗi nhánh dẫn một nửa từ thôngchính

a) Kiểu trụ b) Kiểu bọc

Hình 1.1- Cấu tạo máy biến áp 1 pha

3.2 Dây quấn

6

Thường làm bằng dây đồng hoặc nhôm, có tiết diện tròn hoặc chữ nhật, bên ngoài dâydẫn bọc cách điện

Dây quấn gồm nhiều vòng dây và lồng vào trụ lõi thép Giữa các vòng dây, giữa các dâyquấn có cách điện với nhau và các dây quấn cách điện với lõi thép

Thông thường dây quấn máy biến áp có 2 cuộn:

- Cuộn sơ cấp (W1): Là cuộn nối với nguồn

- Cuộn thứ cấp (W2): Là cuộn nối với tải, cung cấp điện cho phụ tải

Hình 1.2 Dây quấn máy biến áp

4 Nguyên lý làm việc của máy biến áp

Máy biến áp làm việc trên hiện tượng cảm ứng điện từ

Khi nối dây quấn sơ cấp vào nguồn điện xoay chiều có điện áp U1, dòng điện I1 chạy trongcuộn sơ cấp sẽ sinh ra trong lõi thép từ thông biến thiên Do mạch từ khép kín nên từ thôngnày móc vòng sang cuộn thứ cấp sinh ra sức điện động cảm ứng E2 tỉ lệ với số vòng dây W2.Đồng thời từ thông biến thiên đó cũng sinh ra trong cuộn sơ cấp một sức điện động tự cảmứng E1 tỉ lệ với số vòng W1

Hình1.3- Sơ đồ nguyên lý máy biến áp

W

W E

E U

1 2 1

K: tỉ số máy biến áp

Nếu K > 1 (U1 > U2): Máy biến áp giảm áp

Nếu K < 1 (U1 < U2): máy biến áp tăng áp

5 Mô hình toán và sơ đồ thay thế của MBA

5.1 Mô hình toán

a Quá trình điện từ trong MBA

* Theo nguyên lý làm việc của MBA thì ngoài  do dòng I1 và I2 sinh ra thì trongMBA còn có từ thông tản

- Từ thông tản không chạy trong lõi thép mà tản trong không khí, các vật liệu

- Từ thông tản chỉ móc vòng riêng lẽ với mỗi dây quấn :

+ Với W1 thì từ thông tản được kí hiệu t1 : có giá trị thể hiện qua điện cảm tản(l1) và do

 Hệ 3 phương trình U1,U2, và sức từ động được gọi là mô hình toán của MBA

5.2 Sơ đồ thay thế MBA

Từ mô hình toán của MBA ta xây dựng sơ đồ mạch, sơ đồ điện gọi là sơ đồ thay thế đểthể hiện đầy đủ quá trình năng lượng của MBA

Để đặc trưng và tính toán các quá trình năng lượng xảy ra trong máy biến áp, người tathay mạch điện và mạch từ của máy biến áp bằng một mạch điện tương đương gồm các điệntrở và điện kháng đặc trưng cho máy biến áp, gọi là mạch điện thay thế máy biến áp

8

Trên hình vẽ trình bày MBA mà tổn hao trong dây quấn và từ thông tản được đặc trưngbằng điện trở R và điện cảm L mắc nối tiếp với dây quấn sơ và thứ cấp Để có thể nối trựctiếp mạch sơ cấp và thứ cấp với nhau thành một mạch điện các dây quấn sơ cấp và thứ cấpphải có cùng một cấp điện áp Trên thực tế, điện áp của các dây quấn đó lại khác nhau Vì vậy

phải qui đổi một trong hai dây quấn về dây quấn kia để cho chúng có cùng một cấp điện áp

Muốn vậy hai dây quấn phải có số vòng dây như nhau Thường người ta qui đổi dây quấnthứ cấp về dây quấn sơ cấp, nghĩa là coi dây quấn thứ cấp có số vòng dây bằng số vòng dâycủa dây quấn sơ cấp Việc qui đổi chỉ để thuận tiện cho việc nghiên cứu và tính toán máy biến

áp, vì vậy yêu cầu của việc qui đổi là quá trình vật lý và năng lượng xảy ra trong máy biến áptrước và sau khi qui đổi là không đổi

a Qui đổi đại lượng thứ cấp qua sơ cấp

Để suy ra mạch điện thay thế ta phải qui đổi dây quấn thứ cấp về dây quấn sơ cấp (W2 =

Tương tự như trên thì U’

b Sơ đồ thay thế MBA

* Thay các đại lượng qui đổi vào mô hình toán của MBA ta có hệ thống các phương trìnhqui đổi

* Dựa vào các phương trình qui đổi ta có thể suy ra một mạch điện tương ứng gọi là mạchđiện thay thế của MBA:

Hình 1.4: Mạch điện thay thế hình T của MBA

Hình 1.5: Mạch điện thay thế đơn giản của MBA

6 Các chế độ làm việc của MBA

6.1 Chế độ làm việc không tải

a Phương trình và sơ đồ thay thế

Chế độ không tải là chế độ mà phía thứ cấp hở mạch, phía sơ cấp đặt vào điện áp Khikhông tải I2 = 0; ta có U1 = I0Z0 (Z0= Zl + Zth là tổng trở không tải của MBA), ta có sơ đồ thaythế:

Hình 1.6 Sơ đồ thay thế MBA khi không tải

b Các đặc điểm của chế độ không tải

10

Mà Z0 thường rất lớn nên I không tải nhỏ bằng 2 - 10% Iđm.

* Công suất không tải

Ở chế độ không tải công suất đưa ra phía thứ cấp = 0 nhưng MBA vẫn tiêu thụ công suấttổn hao sắt từ và công suất tổn hao trên điện trở dây quấn sơ cấp

* Hệ số công suất không tải

Công suất phản kháng không tải Q0 rất lớn so với công suất tác dụng không tải nên hệ

số công suất lúc không tải thấp

c Thí nghiệm về không tải (hình 1.7)

Hình 1.7 Sơ đồ thí nghiệm không tải

* Để xác định hệ số MBA (k), tổn hao sắt từ P và các thông số của máy ở chế độ khôngtải ta tiến hành thí nghiệm:

- Đặt Uđm vào W1, thứ cấp hở mạch, các dụng cụ trên sơ đồ cho ta các thông số:

+ Oát kế chỉ công suất không tải P0 = Pst

+ Ampe kế chỉ dòng không tải I0

+Các vôn kế chỉ giá trị U1, U20

 Hệ số biến áp (k), dòng điện không tải %, R không tải, Z không tải, điện kháng khôngtải X0, hệ số công suất không tải(cos)

6.2 Chế độ ngắn mạch

a Phương trình và sơ đồ thay thế

- Chế độ ngắn mạch là chế độ thứ cấp bị nối tắt lại, sơ cấp vẫn đặt vào điện áp:

Un = InZn

Sơ đồ thay thế:

Vì tổng trở Zn nhỏ nên In thường rất lớn = 10-25 lần Iđm gây nguy hiểm với MBA vàảnh hưởng đến tải.

Khi ngắn mạch U2 = 0 Un là điện áp rơi trên tổng trở dây quấn

12

- Công suất đo được trong thí nghiệm ngắn mạch chính là tổn hao trong R hai dây quấn, từ

đó ta tính được các thông số trong sơ đồ thay thế

U

I X

1

1100% = Un%sinn

+ Điện áp ngắn mạch tác dụng % UnR% =

âm

âm n

U

I R

1

1100% = Un%cosn

6.3 Chế độ có tải của MBA

a Giản đồ năng lượng của MBA

* Chế độ có tải là chế độ trong W1 nối với Uđm, W2 nối với tải

- Gọi công suất đưa vào MBA là P1 =U1I1cos1, một phần công suất này bị tiêu hao trên Rcủa dây dẫn là: 2

1 1

1 R I

P cu  , và tổn hao trong lõi thép 2

0

I R

P fe  m , phần còn lạilà:'

2

'

2I

E

P ât  cos2 truyền sang phía thứ cấp

- Một phần Pđt bù vào tổn hao trên R của W2 là: ' 2

2

' 2

1 X I

q  và từ trường trong lõi thép 2

0

I X

q m  m và phần còn lại đưa qua

2

'

2I E

Q ât  sin 2

2

' 2

2 E I

Q  sin 2

- Khi tải có tính điện cảm (2>0)  Q2  0  Q1 >0  Q được truyền từ sơ cấp sangthứ cấp

- Khi tải có tính điện dung (2< 0)  Q2  0  Q được truyền từ thứ cấp sang sơ cấp

* Giản đồ năng lượng của MBA

Hình 1.10: Sơ đồ thay thế MBA Hình 1.11 Giản đồ năng lượng MBA

b Sự thay đổi của điện áp phía thứ cấp

* MBA có tải và có sự thay đổi ở tải gây nên sự biến thiên của U2

- Khi U1 định mức  biến thiên của U2 là: U2 = U2đm-U2

- Độ biến thiên của U2 được tính theo % là: U2% =

âm

âm

U

U U

- Từ đồ thị ta thấy khi tải dung tăng  U2 tăng, khi tải cảm tăng  U2 giảm

- Để điều chỉnh được U2 đạt giá trị mong muốn ta thay đổi số vòng đay trong khoảng

5%

7 Máy biến áp ba pha

Để biến đổi điện áp của hệ thống dòng điện 3 pha, ta có thể dùng 3 máy biến áp mộtpha hình 2.12 a hoặc dùng máy biến áp 3 pha (Hình 2.12 a)

Về cấu tạo lõi thép của máy biến áp 3 pha gồm 3 trụ (Hình 2.13) Dây quấn sơ cấp kýhiệu bằng chữ cái in hoa Pha A ký hiệu là AX, pha B ký hiệu là BY, pha C ký hiệu là CZ.Dây quấn thứ cấp ký hiệu bằng chữ thường: pha a là ax, pha b là by, pha c là cz Dây quấn sơcấp và thứ cấp có thể nối 2 hình sao hoặc hình tam giác Nếu sơ cấp nối hình tam giác, thứcấp nối hình sao có dây trung tính ta ký hiệu là Y/YN

kt

Hình 1.12: MBA ba pha

Gọi số vòng dây pha một pha sơ cấp là w1 , số vòng

dây một pha thứ cấp là w2 , tỷ số điện áp pha giữa sơ cấp và

thứ cấp sẽ là:

2

1 2

1

w

w U

U p

p



Tỷ số điện áp không những chỉ phụ thuộc vào tỷ số

vòng dây mà còn phụ thuộc vào cách nối hình sao hay tam

giác.

Hình 1.13: Lõi thép MBA 3 pha

Hình 1.14: Máy biến áp 3 pha 2 dây quấn

8 Sự làm việc song song của MBA

8.1 Điều kiện làm việc song song của MBA

* Trong hệ thống điện, trong các lưới điện các MBA làm việc song song và để làm việcđược phải thuộc vào các điều kiện:

- Uđm sơ cấp và thứ cấp phải bằng nhau tương ứng nghĩa là tỷ số biến đổi của MBA phảibằng nhau

- Các MBA phải có cùng tổ nối dây nghĩa là điện áp thứ cấp của các máy trùng trùng phanhau

- Điện áp các mạch của các máy phải bằng nhau

8.2 Sơ đồ đấu dây làm việc song song của MBA

Hình 1.14 vẽ 2 MBA 3 pha làm việc song song

Dòng điện máy II do nhỏ hơn định mức, vậy

máy II đang non tải, trong khi máy I đã định mức Nếu

máy II tải định mức thì máy I sẽ quá tải Trong thực tế

cho phép điện áp ngắn mạch của các máy sai khác 10%

Hình 1.14: MBA làm việc song song

9 Các máy biến áp đặc biệt

9.1 MBA ba dây quấn

- Là nâng cao được tiêu chuẩn kinh tế và kỹ thuật của trạm BA

- MBA ba dây quấn được chế tạo theo kiểu MBA ba pha hoặc máy BA ba trụ với các tổnối dây Y0/ Y0/ 12-11; Y0/  / 11-11

- Dây quấn sơ cấp có công suất bao nhiêu thì công suất của MBA ba dây quấn bấy nhiêu(công suất lớn nhất)

16

b Độ thay đổi điện áp

- Cũng như MBA 2 dây quấn thì U đầu ra của MBA 3 dây quấn biến thiên theo trị số vàtính chất của các dòng điện tải I2, I3

- Khi thay đổi tải của W2 thì sẽ ảnh hưởng đến cả U của W2 kia do U rơi I1Z1 trong W1thay đổi

b Độ thay đổi dòng điện trong BMA tự ngẫu

- Xét một MBA tự ngẫu có số vòng dây quấn sơ cấp là WAX và điện áp đặt vào U1 = UAX ,dây quấn thứ cấp có số vòng dây Wax là một phần của dây quấn sơ cấp

+ Khi không tải: U1 = E1, U2 = E2

+ Khi có tải nếu bỏ qua tổn thất thì: U1I1 = U2I2

* Trong MBA áp giảm áp thì Iax (dòng điện trong phần dây quấn chung) có cùng chiều vớidòng I2 và ngược chiều với I1, còn đối với MBA tăng áp thì ngược lại

9.3 MBA hàn hồ quang

Là loại máy biến áp đặc biệt dùng để hàn bằng phương pháp hồ quang điện Máyđược chế tạo có điện kháng tản lớn và cuộn dây thứ cấp nối với điện kháng ngoài K để hạnchế dòng điện hàn Vì thế đường đặc tính hàn rất dốc, phù hợp với yêu cầu hàn điện

- Cuộn dây sơ cấp nối với nguồn điện, cuộn dây thứ cấp một đầu nối với cuộn điệnkháng K rồi nối tới que hàn, còn đầu kia nối với tấm kim loại cần hàn Máy biến áp làm việc

ở chế độ ngắn mạch ngắn hạn dây quấn thứ cấp Điện áp thứ cấp định mức của máy biến áphàn thường là 60 - 70V Khi dí que hàn vào tấm kim loại, sẽ có dòng điện lớn chạy qua làmnóng chỗ tiếp xúc

Khi nhấc que hàn cách tấm kim lọai một khoảng nhỏ, vì cường độ điện trường lớn làm ionhóa chất khí, sinh hồ quang và tỏa nhiệt lượng lớn làm nóng chảy chỗ hàn

Để điều chỉnh dòng điện hàn, có thể thay đổi số vòng dây của dây quấn thứ cấp máybiến áp hàn hoặc thay đổi điện kháng ngoài bằng cách thay đổi khe hở không khí của lõi thép

K

Hình 1.16: Sơ đồ MBA hàn hồ quang

18

Bài 2 QUẤN DÂY MÁY BIẾN ÁP

I Quấn máy biến áp theo số liệu có sẵn

Là dạng bài toán mà người thợ đã có trước một lõi thép nào đó Từ lõi thép có sẵn này kếthợp với các yêu cầu cần có khác (thông thường là điện áp U2 và U1) sẽ tiến hành xác định cácthông số còn lại sao cho phù hợp với lõi thép đã có

Có thể tóm tắt bài toán như sau:

Biết trước: Tiết diện lõi thép At; U2; U1.Cần tìm: SBA  I2  I1; n1; n2; d1; d2

Các bước tiến hành như sau:

1 Từ tiết diện lõi thép đã có tiến hành xác định dung lượng S BA theo biểu thức

2 Xác định dòng điện thứ cấp I 2

3 Vẽ lại sơ đồ hoàn chỉnh MBA

4 Tính số vòng dây quấn cho mỗi vôn

Trong đó:

Tiết diện lõi thép được tính bằng m2

Nếu tiết diện lõi thép được tính bằng cm2 và f = 50Hz thì biểu thức trên trở thành

5 Tính số vòng quấn cho cuộn sơ cấp và thứ cấp

a Số vòng quấn cho cuộn sơ cấp

b Số vòng quấn cho cuộn thứ cấp

Khi máy biến áp mang tải thì điện áp trên tải sẽ sụt giảm một lượng so với lúc không tải

Để đảm bảo đủ điện áp cung cấp cho khi máy vận hành thì phải trừ hao lượng sụt áp này khitính toán từ (5  15)%

S2 = SBA =

2

423 , 1

B A

f 44 , 4

1

nv 

n 1 = n V U 1

6 Tính dòng điện phía sơ cấp

Tra bảng chọn hiệu suất của MBA và tính ra dòng điện phía sơ cấp

7 Tính đường kính dây quấn

Chọn mật độ dòng điện thích hợp và tính đường kính dây quấn

 Phía sơ cấp:

 Phía thứ cấp:

Với J là mật độ dòng điện (A / mm2); Chọn tùy vào chế độ làm việc của MBA

 MBA làm việc liên tục J = (2,5  5) A/mm2

 MBA làm việc ít J có thể chọn đến 7A/mm2

 Tính bề dày cuộn dây

- Cuộn sơ cấp có bề dày BD1 được tính từ số vòng quấn n1

- Cuộn thứ cấp có bề dày BD2 được tính từ số vòng quấn n2

- Bề dày cả cuộn dây BD = BD1 + BD2 + (1  2)mm

 Số vòng dây quấn cho 1 lớp:

Trong đó: hK: Chiều dài h của khuôn quấn

d/ : Đường kính dây kể cả cách điện

 Số lớp dây quấn:

Trong đó: n: Số vòng dây của từng cuộn (sơ hoặc thứ cấp)

nVL: Số vòng dây quấn cho 1 lớp

 Bề dày cuộn dây sơ hoặc thứ: BD1(2) = nL1(2) d/

9 Tính khối lượng dây quấn (W)

Với: W1; W2 là khối lượng của cuộn sơ cấp và thứ cấp

Khối lượng của từng cuộn dây được tính theo biểu thức

Trong đó:

LTB: Là chiều dài trung bình của một vòng dây (tính bằng dm)

n: Số vòng quấn của cuộn sơ cấp hoặc thứ cấp

d: Đường kính dây quấn ở cuộn sơ cấp hoặc thứ cấp (tính bằng mm2)

W: Là khối lượng (tính bằng Kg)

Tính toán quấn mới máy biến áp

Là dạng bài toán mà người thợ nhận được những yêu cầu kỹ thuật cần có cho một máybiến áp cụ thể từ khách hàng như điện áp nguồn vào; điện áp ra cần có; công suất ngỏ ra; mụcđích sử dụng Với dạng bài toán này chúng ta phải xác định được tiết diện lõi thép; số vòngdây quấn sơ cấp, thứ cấp và đường kính dây quấn sơ cấp, thứ cấp

Có thể tóm tắt bài toán như sau:

Biết trước: SLÕI; U2; U1

Cần tìm: SBA  I2  I1; n1; n2; d1; d2

1 Phương pháp tính toán máy biến áp cảm ứng

Máy biến áp cảm ứng hay còn gọi là máy biến áp hai dây quấn, là loại máy biến áp có dâyquấn sơ cấp và thứ cấp cách ly nhau Ký hiệu máy biến áp hai dây quấn như hình 2.1 Trình tựtính toán dây quấn và chọn kích thước lõi thép được tiến hành theo các bước sau:

Bước 1: Xác định các số liệu yêu cầu

Điện áp định mức phía sơ cấp U1 [ V ].

- Chế độ làm việc ngắn hạn hay dài hạn

Bước 2: Xác định tiết diện tính toán cần dùng cho lõi sắt (A t )

Trong đó:

At: là tiết diện tính toán của lõi thép [cm2]

S2: là công suất biểu kiến cung cấp tại phía thứ cấp biến áp [ VA ]K: là hệ số hình dáng lõi thép

Khi lá thép dạng EI (hình 1.2) ta có K = 1  1,2 Khi lá thép dạng UI (hình 1.3)ta có K = 0.75  0,85

Bm: là mật độ từ thông sử dụng trong lõi thép Tùy theo hàm lượng silic nhiềuhay ít mà chọn Bm cao hay thấp Cũng tùy theo loại lá thép được chế tạo theo dạng dẫn từ cóđịnh hướng hoặc không định hướng mà chọn Bm cao hay thấp

Đối với lá thép dẫn từ không định hướng: Bm = (0,8  1,2)T

Đối với là thép có dẫn từ định hướng: Bm = (1,2  1,6)T

Bước 3: Chọn kích thước cho lõi thép, khối lượng lõi thép

 Kích thước cho lõi thép:

22

m

S K

Hình 2.5: Cách đo lấy kích thước lõi thép dạng U I

Gọi Ag là tiết diện tính từ kích thước thực sự của lõi thép, ta có:

Trong đó:

a: là bề rộng lá thép cm

b: là bề dày lõi thép cm

Như vậy giữa Ag và At chênh lệch nhau do:

 Bề dầy cách điện tráng trên lá thép (để giảm nhỏ dòng điện Foucault chạy quacác lá thép trong lõi)

 Độ bavia có trên lá thép do công nghệ dập định hình lá thép gây nên

Độ chênh lệch này được xác định bằng hệ số ghép Kf, ta có:

Trong thiết kế tính toán, tham khảo giá trị Kf theo bảng sau:

0,80,85

 Chú ý:

Nếu đo được bề dầy mỗi lá thép và biết chính xác số lá thép ta tính được At và có thểxem At = Ag

Dựa vào giá trị Ag, ta chọn được kích thước a, b của lõi thép

Để dễ dàng trong thi công quấn dây, thường giữa a và b có mối quan hệ về kích thướcnhư sau: b = a đến b = 1,5a

Từ đó, ta có quan hệ sau :

Ag = a.b = a2 (khi chọn a = b)

Ag = a.b = a.1,5a = 1,5a2 (khi chọn b = 1,5a)

Tóm lại: Khi biết trước giá trị Ag, ta có thể xác định dãy giá trị a để chọn, bằng cáchtính sau:

f

t K

A

Ag 

b a

A g 

Phối hợp giá trị a có sẵn trong thực tế, chọn giá trị a thích hợp cho lõi thép, từ đó tínhlại chính xác giá trị b Sau khi có kích thước lá thép, ta chọn khối lượng lõi thép.

 Khối lượng lõi thép:

 Trường hợp lõi thép dạng EI :(hình 2.6)

Gọi c là bề rộng cửa sổ, h là bề cao cửa sổ

Ta có thể tích lõi thép (đã trừ đi khoảng không gian trống của 2 cửa sổ) là:

Gọi  là khối lượng riêng của thép kỹ thuật điện  = 7,8 kg/dm3

Suy ra khối lượng lõi thép là :

a a

5 ,

h) c 7,8.2ab(a

Wth  

h) c (a 2ab

Thể tích lõi thép đã trừ đi cửa sổ là: V = 2ab(2a + c + h)

Suy ra khối lượng lõi thép:

S2

= 1,423(1  1,2)

2 , 1

75 = 10,269 cm2  12,32 cm2

81 , 10 5

, 1 min  A g 

amax  Ag  12 , 97  3 , 6cm

h) c 15,6ab(2a

Hình 2.8: Hình ví dụ 1

U1 = 110V U2 = 15V

I2 = 5A

Tóm lại, để thực hiện biến thế có công suất 75VA ta chọn a trong khoảng từ 2,7cm

b (cm) 4  4,8cm 3,86 

4,63

3,6 4,32

3,37 4,05

3,18 3,81

3,09 3,77 3  3,6

W th

(kg) 1,36  1,64 1,42  1,7

1,52 1,82

1,62 1,94

1,72 2,06

1,77

2,12

1,82 2,18Bảng giá trị này cho ta các kích thước lõi thép có thể tạo biến thế đúng theo yêu cầutrên, ta có thể chọn một trong các kích thước này tính toán sơ bộ, sau đó nếu cần ta sẽ hiệuchỉnh trong các bước tính sau

Giả sử trong thí dụ này ta chọn: a = 3,2cm; b = 3,4cm; Wth = 1,63Kg

Ag = 10,88 cm2; At = 10,336 cm2 (Kf = 0,95)Khi dùng lá thép E, I đúng tiêu chuẩn, kích thước lõi thép cần dùng (để tạo ra S2 =75VA) như hình 2.9

Chú ý: Nếu bề dầy mỗi lá thép là 0,5mm và b = 34mm, tổng số lá thép chữ E cần dùng

m

U20: là điện áp thứ cấp khi không tải.

U2: là điện áp thứ cấp khi tải định mức

Thường ta đặt tham số U% với định nghĩa:

m t v

B A f

n

44 , 4

1



m t v

B A f

n

44 , 4

10 4



m t

n

.

045 , 45



t v

A

n 55,3

t v

A

n 45,045

t v

A

n 37,54

100 1 100

U%

2

20 2

2 20

U U

Tuy nhiên, để dễ tính toán trong thiết kế, ta biến đổi như sau:

5060708090100120150

1,121.111,101,091,0851,081,0751,065

180200250300350400500600

1,0601,0581,0521,0481,0451,0421,0381,035

7008009001000150020003000

1,0321,0301,0281,0251,0201,0161,009

Bước 4:

Áp dụng (4.13) hay (4.18) tại tần số f = 50Hz:

nv=

t A

54 , 37

2 h

20 C U

v 20

2 U n

N  v

1

1 U n

N 

Ước lượng hiệu suất  của máy biến thế, xác định dòng điện phía sơ cấp I1.

Trong thiết kế sơ bộ, hoặc đơn giản hóa, hiệu suất  có thể tra bảng theo S2 Có thểtham khảo một số bảng sau:

 Theo Robert Kuhn:

- Điều kiện giải nhiệt dây quấn.

- Chế độ làm viện (dài hạn hay ngắn hạn)

Ta có thể tham khảo các bảng giá trị cho phép của J như sau:

Bảng quan hệ giữa J theo S2, khi biến thế vận hành liên tục, điều kiện giải nhiệt kém (hoặccấp cách điện thấp)

Trường hợp vật liệu cách điện cấp A (nhiệt độ tối đa ở điểm nóng nhất cho phép là

1050C), máy làm việc ngắn hạn, ta có thể chọn J cao hơn giá trị bảng trên từ (1,2  1,5)lần

J (A/mm2)với độ gianhiệt 600C

At (cm2)

J (A/mm2)với độ gianhiệt 400C

J (A/mm2)với độ gia nhiệt

.

% U

S I

775 , 0

= 0,424 mm, chọn d1 = 0,45 mm

d2 = 1,13 55,5 = 1,07mm, chọn d2 = 1,1mmChọn dây emay có đường kính dây kể cả cách điện là:

d1cđ = 0,5mm

d2cđ = 1,15mm

Bước 9:

Chọn bề dầy cách điện làm khuôn quấn dây (ec) và bề cao hiệu dụng quấn dây (Hhd)

Để dễ thi công quấn dây, thông thường ta chọn:

ak = a + (1  2)mm

bk = a + (1  2)mm

Hhd = H - [2ec + (1  2)mm]

Trong đó:

Hhd: là bề cao hiệu dụng để quấn dây

ec: là bề dày bìa cách điện, chọn theo cấp công suất của biến áp

31

A

775 , 0 110 88 , 0 75

Để đảm bảo độ bền cơ học chọn ec theo cấp công suất của biến thế như bảng sau:

Bước 10:

Xác định số vòng cho một lớp dây quấn sơ và thứ cấp

Gọi: SV1 là số vòng một lớp dây quấn sơ cấp

SV2 là số vòng một lớp dây quấn thứ cấp

Ta có:

Trong đó:

Kq: là hệ số quấn dây + Với dây đồng bọc cotton: Kq = 0,9  0,93 + Với dây đồng tráng emay: Kq = 0,9  0,93

Bước 11:

Xác định số lớp cho mỗi phần dây quấn sơ và thứ cấp

Từ công thức tổng quát, ta viết lại cách tính cho ecđ1 và ecđ2:

Xác định bề dày mỗi phần dây quấn

Khi biến áp có lõi thép E I, cuộn dây sơ cấp và thứ cấp quấn trên một trục lõi (bố trí đồngtrục), ta xác định bề dầy cuộn dây sơ và thứ cấp như sau:

Gọi: BD1 là bề dầy cuộn dây sơ cấp

BD2 là bề dầy cuộn dây thứ cấp

BD là bề dầy tổng của cả bộ dây

Ta có:

32

K d

SV

N



V n

SV1

V n

SV2

) e (d SL

BD1 1 1cd  cd1

Nếu Klđ1 tính thỏa mãn giá trị nói trên thì ta tính tiếp các bước còn lại.

Nếu không thỏa mãn giá trị nói trên ta phải tính lại, điều chỉnh lại kết cấu để bỏ lọt dâyquấn

Chú ý:

Cũng có thể kiểm tra bằng cách tính khác (ngay sau bước 8)

Gọi kld2 là hệ số lấp đầy, tính theo tiết diện choán chỗ của dây quấn so với tiết diện cửa sổmạch từ

Gọi Scđ1 và Scđ2 là tiết diện dây quấn sơ và thứ cấp kể cả lớp bọc cách điện, ta có:

Nếu Klđ2 = 0,4  0,46 thì bộ dây bỏ lọt vào cửa sổ, khoảng giá trị này tương ứng khoảnggiá trị Klđ1 = 0,7  0,75

BD2  2 2cd  cd2

cd3 c 2

BD

1000 1,4

Tiết diện cửa sổ lõi thép

h c

S N S

.

.

Giả sử kết cấu dây quấn sơ cấp bố trí bên trong và thứ cấp bao bọc quanh sơ cấp, bề dàitrung bình Ltb1 và Ltb2 cho bộ dây sơ và thứ cấp xác định như sau (xem hình 2.12).

: a’ = a + 2ec; b’= b + 2ec

Ta có :

Tương tự, suy ra:

Gọi L1 và L2 là tổng bề dài của bộ dây quấn sơ và thứ cấp

/ tb1 2(a b ) BD

/ /

.L N

L1  1 tb1

.L N

L2  2 tb2

Xác định khối lượng dây quấn sơ cấp và thứ cấp:

Trong đó:

Kdp: là hệ số dự phòng do sai số trong thi công thực tế so với tính toán

+ Với dây emay: Kdp = 1,1  1,15

+ Với dây bọc cotton: Kdp = 1,2  1,3

Tương tự, khối dây quấn thứ cấp được tính:



= 1,038 mm2  1,04mm2Diện tích cửa sổ lõi thép:

Scs = c.h = 16 48 = 768mm2

Klđ =

768

4 , 142 768

04 , 1 60 2 , 0 400





= 0,185Với Klđ tính được quá thấp so với tiêu chuẩn cho phép (0,7  0,8) ta có thể điều chỉnhgiảm kích thước lõi thép, để giảm khối lượng dây Tuy nhiên muốn duy trì các tham số kháckhông đổi ta phải giữ tiết diện lõi thép như lúc đầu đã tính

Ta thử xét phương án điều chỉnh như sau:

 Chọn Klđ tăng lên khoảng 0,36 và giả sử số liệu dây quấn sơ và thứ cấp không đổi.Tổng diện tích choán chỗ của bộ dây không đổi, vẫn bằng 142,4mm2 Suy ra diện tích cửa sổlà:cửa sổ là:

8,9.10 4

.d.L k

=

1 dp 1



10 8,9 4

.d.L K

=

2 dq 2



Scs = 1420,36,4 = 395,55mm2Căn cứ theo Scs tính ra a:

Đối chiếu theo thí dụ 1 ta có thể chọn a tại mức thấp nhất là a = 24mm

 Nếu duy trì số vòng như cũ, theo thí dụ 2 ta cần duy trì:

Ag = 10,88cm2 để có At = 10,336cm2Muốn vậy: b =

4 , 2

88 , 10



a

A g

= 4,5cmTóm lại, ta điều chỉnh lại kích thước lõi thép để giảm khối lượng thép và khối lượng dâyđồng, đồng thời nâng cao Klđ, lợi dụng tối đa khoảng trống cửa sổ lõi thép

Ta chọn:

a = 2,4cm; b = 4,5cm; Wth = 46,8a2b = 1,21kg  1,2kg(Xem hình 2.13)

Như vậy, kết cấu mới được điều chỉnh lại có số liệu như sau:

d1/d1cđ = 0,45/0,5mm; d2/d2cđ = 1,1/1,15mm

Hệ số lấp đầy rãnh (tính theo tiết diện) là Klđ = 0,53

Căn cứ vào số liệu mới, tính lại các bước từ bước 9 đến bước 14

Bước 9:

Bề dầy khuôn quấn dây: ec = 1mm

Kích thước khuôn giấy:

33

62

0,25mm chọn ecđ1 = 0,25mmXác định bề dầy cách điện giữa các lớp thứ cấp với nhau:

66 , 3

Kiểm tra lại hệ số lấp đầy theo bề dầy cửa sổ bị choán chỗ

Klđ =

c

BD

= 12

8 , 9 = 0,816

Chú ý: Nếu cách điện lớp chọn theo tiêu chuẩn kỹ thuật như trên ta có thể giảm bề dầy

cách điện tính theo công thức (4.31), (4.32), (4.33), (4.37) xuống 0,5 lần

Với thí dụ tính toán trên nếu hiệu chỉnh:

Bề dài trung bình của một vòng dây quấn thứ cấp:

Ltb2= 2(a’+b’) +  [2(BD1+ecđ3) + BD2] = 185,74 mmChọn Ltb2= 186 mm = 1,86 dm

Tổng bề dài cuộn dây quấn sơ cấp:

L1= N1.Ltb1= 402.1,592 = 640 dmTổng bề dài cuộn dây quấn thứ cấp:



10-4.8,9

W1= 0,0996 kg  0,1 kg Khối lượng bộ dây quấn thứ cấp:

W2= 1,1.112

4

1 , 1



10-4.8,9

W2= 0,1042 kg  0,11 kg Tổng khối lượng bộ dây quấn:

I2 = 5A

Hệ số lấp đầy: Llđ = 0,33 (tính theo thiết diện choán chỗ)

Llđ = 0,68 (tính theo bề dày choán chỗ)

Bề dày cách điện giữa các lớp sơ cấp và thứ cấp:

ecđ1 = ecđ2 = 0,1 mm

Bề dày cách điện khuôn: ec = 1 mm

Bề dày cách điện giữa sơ cấp và thứ cấp: ecđ3 = 0,25 mm

2 Phương pháp tính toán máy biến áp tự ngẫu

a Trình tự tính toán máy biến áp tự ngẫu

Đối với MBA tự ngẫu 1 ngỏ vào và 1 ngỏ ra thì 2 ngỏ này có thể hoán đổi cho nhau khi sửdụng, do đó khi tính toán phải đảm bảo cả 2 trường hợp

 Gọi SBA là dung lượng của biến áp trong cả 2 trường hợp

 Căn cứ vào U1, U2 đã có suy ra I1, I2 Sau đó căn cứ vào sơ đồ sẽ tính ra được dòngđiện chạy trong đoạn dây chung IC

 Tiếp theo sử dụng các biểu thức ở phần 4.2.1 để tìm các thông số còn lại

- Chọn hiệu suất  = 90% thì I1 được tính

- Tính dòng điện trong đoạn dây chung

 Khi ngỏ ra là 220V:

- Chọn hiệu suất  = 90% thì I1 được tính

- Tính dòng điện trong đoạn dây chung:

550.U1 

0 3 6 9 4,5

1 2

C +

Hình 2.17: Sơ đồ nguyên lý Survoltuer

7

11 0

22 0

5 3 6 9

16 0

8

8 0

4

2 1 0

V

0

22 0

11 0

C Đ S