THIẾT BỊ ĐIỆN GIA DỤNG

Máy biến áp (MBA) là thiết bị điện làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có nhiệm vụ biến đổi điện áp của nguồn xoay chiều nhưng vẫn giữ nguyên tần số. Đầu vào nối với nguồn gọi là phía sơ cấp, đầu ra nối với tải gọi là phía thứ cấp. Nếu điện áp thứ cấp cao hơn điện áp sơ cấp gọi là MBA tăng áp, nếu điện áp thứ cấp thấp hơn điện áp sơ cấp gọi là MBA

Chương 1

THIẾT BỊ ĐIỆN GIA DỤNG

Mục đích: Cung cấp cho sinh viên một số điểm cơ bản về máy biến áp, động cơ không

đồng bộ và một số thiết bị điện gia dụng thường gặp

Yêu cầu: Sinh viên phải nắm được:

- Những điểm cơ bản của máy biến áp, động cơ không đồng bộ

- Cấu tạo, nguyên lý làm việc của một số thiết bị điện gia dụng: máy biến áp, máy biến áp tự ngẫu, ổn áp, quạt điện, máy bơm nước, máy giặt, tủ lạnh …

hạ áp

b Các đại lượng định mức

- Điện áp định mức sơ cấp U1đm: Là điện áp quy định cho dây quấn sơ cấp (do nhà chế tạo quy định)

- Điện áp thứ cấp định mức U2đm: Là điện áp giữa các cực của dây quấn thứ cấp khi

hở mạch và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức

- Dòng điện định mức I1đm, I2đm: Là dòng điện quy định cho mỗi dây quấn của MBA ứng với công suất định mức và điện áp định mức

- Đối với MBA một pha dòng điện và điện áp định mức là đại lượng pha

- Đối với MBA ba pha dòng điện và điện áp định mức là đại lượng dây

- Công suất định mức Sđm: Là công suất biểu kiến thứ cấp ở chế độ làm việc định mức

+ MBA 1 pha: Sđm = U1pđm.I1pđm≈ U2pđm.I2pđm (2.1)

+ MBA 3 pha: Sđm = 3U1dđm.I1dđm≈ 3U2dđm.I2dđm (2.2)

Các đại lượng định mức được ghi trên nhãn máy, ngoài ra còn có ghi: tần số, số pha,

sơ đồ nối dây, điện áp ngắn mạch, chế độ làm việc

Ví dụ:

- Trên nhãn máy biến áp 1 pha có ghi 6/ 0,4 KV – 200KVA

Hiểu rằng: U1đm = 6 KV, U2đm = 0,4 KV, Sđm = 200 KVA

- Trên nhãn máy biến áp 3 pha có ghi 6/ 0,4 KV – 200KVA

Hiểu rằng: U1dđm = 6 KV, U2dđm = 0,4 KV, Sđm = 200 KVA

c, Phân loại máy biến áp chính

Theo số pha phân thành hai loại: - Máy biến áp một pha

Theo công dụng phân thành các loại chính sau:

- Máy biến áp động lực: Dùng để truyền tải và phân phối công suất trong hệ thống điện lực

- Máy biến áp chuyên dùng (biến áp nguồn): Dùng trong các lò luyện kim, thiết bị điện tử

1.1.2 Cấu tạo của máy biến áp một pha

a Lõi thép máy biến áp

Lõi thép máy biến áp dùng để dẫn từ thông, được chế tạo từ các vật liệu dẫn từ tốt thường là thép kĩ thuật điện dày từ 0,35mm đến 0,5mm (hình 2.1a), ghép cách điện với nhau

có tiết diện hình tròn hoặc hình chữ nhật (thường là hình chữ nhật) Được chia làm 2 phần:

- Trụ từ: Là phần mạch từ có quấn các cuộn dây

- Gông từ: Là phần mạch từ nối các trụ để tạo thành mạch từ kín

b Dây quấn máy biến áp

Dây quấn máy biến áp bằng đồng hoặc nhôm (thường dùng bằng đồng), tiết diện hình tròn hoặc chữ nhật có bọc cách điện, giữa các lớp dây và cuộn dây với lõi thép được cách điện Nếu công suất máy càng lớn thì tiết diện dây càng dẹt

Máy biến áp thường có 2 hoặc nhiều cuộn dây Khi các cuộn dây quấn dồng trục thì cuộn dây điện áp thấp đựơc đặt bên trong, cuộn dây điện áp cao đựơc đặt bên ngoài để giảm bớt vật liệu cách điện (hình 2.1b)

c Các phần phụ khác

Bao gồm: vỏ máy, các sứ xuyên để đấu dây, chuyển mạch, thiết bị bảo vệ, thiết bị chống ẩm Đối với máy công suất lớn thì cuộn dây và mạch từ được ngâm trong dầu cách điện, vỏ thùng dầu thường có gắn các cánh tản nhiệt, ngoài ra còn có thêm thùng dầu phụ

Bề ngoài của máy biến áp động lực như hình 2.2

cuộn điện

áp thấpb)

1.1.3 Nguyên lý làm việc của náy biến áp

Xét máy biến áp một pha đơn giản có 2 cuộn dây W1 và W2 như hình 2.3

Khi có dòng điện hình sin i1 chạy trong cuộn dây W1 thì trong mạch từ có một lượng

từ thông  được gọi là từ thông chính, có chiều xác định theo quy tắc vặn nút chai

Khi máy biến áp không tải (i2 = 0) từ thông chính  chỉ do dòng điện sơ cấp i0 sinh ra (i0 là dòng thứ cấp khi không tải)

Khi máy biến áp có tải (i2 ≠ 0) thì từ thông chính  do đồng thời cả hai dòng điện sơ cấp i1 và thứ cấp i2 sinh ra

Vì điện áp u1 hình sin nên từ thông chính  cũng biến thiên hình sin làm xuất hiện trong 2 cuộn dây W1và W2 các sđđ cảm ứng e1 và e2 Giả thiết  = msinωt ta có:

max

d(Φ sinωt)d

2 2

E W được gọi là hệ số biến đổi điện áp

Nếu bỏ qua tổn thất điện áp trên các cuộn dây thì: U1  E1 và U2  E2

Khi k > 1 thì U1 > U2: Ta có máy biến áp hạ áp

Khi k < 1 thì U1 < U2: Ta có máy biến áp tăng áp

Hình 2.2

1.1.4 Các loại máy biến áp thông dụng

a Máy biến áp nguồn

Công suất của máy biến áp nguồn ở đồ điện và

điện tử thường là loại công xuất nhỏ, lõi từ thuộc

dạng

hình chữ E, hoặc chữ U

Phía sơ cấp chỉ có một cuộn dây tiết diện nhỏ,

số vòng lớn, điện áp vào 100 V hoặc 220V

Phía thứ cấp có một cuộn dây có nhiều đầu ra, hoặc có nhiều cuộn dây để có thể lấy

ra được nhiều cấp điện áp khác nhau phù hợp yêu cầu của tải

Công dụng: Thường dùng làm bộ đầu vào cho các thiết bị điện như: Rađio, cát sét, ti vi

Ưu điểm: Phía sơ cấp và thứ cấp chỉ liên hệ về từ, không liên hệ về điện (cách ly), nên rất an toàn

b Máy biến áp tự ngẫu

Máy biến áp tự ngẫu chỉ có một cuộn dây chung

cho cả sơ cấp và thứ cấp (hình 2.5) Nguyên lý làm việc

giống như MBA thông thường

Ưu điểm: Thay đổi vô cấp điện áp đầu ra, tiết kiệm

vật liệu (trung binh giảm được 50% vật tư), giảm tổn hao,

truyền tải công suất bằng cả 2 đường điện và từ nên khi

cùng một công suất thì máy biến áp tự ngẫu có kích thước

nhỏ hơn máy biến áp thông thường

Nhược điểm: Không an toàn vì sơ cấp và thứ cấp có mối liên hệ về điện

c Máy biến áp đo lường

Là các máy biến áp dùng để mở rộng thang đo cho các dụng cụ đo đại lượng xoay chiều

- Máy biến điện áp

Máy biến điện áp là máy biến áp hạ áp, đầu ra có U2đm = 100 V đấu với đồng hồ von, đầu vào đấu song song với tải cần đo điện áp (hình 2.6a), tỷ số biến đối điện áp thường chẵn (10, 100, 1000…)

- Máy biến dòng điện

Máy biến dòng là máy biến áp tăng áp có đầu ra số vòng lớn với Iđm = 5 A được đấu với đồng hồ ampe, đầu vào có số vòng ít thường là 1 vòng được nối tiếp với tải cần đo (hình 2.6b), tỷ số biến dòng thường là chẵn

Cách đọc: Iđo = I1 = kiIA

Chú ý:

+ Máy biến điện áp chỉ làm việc ở trạng thái hở mạch thứ cấp

+ Máy biến dòng làm việc ở trạng thái ngắn mạch thứ cấp

+ Thông thường trên các dụng cụ đo được khắc độ theo giá trị đại lượng cần đo

d, Máy biến áp hàn điện

Là loại máy biến áp đặc biệt chuyên dùng để hàn bằng phương pháp hồ quang, máy biến áp hàn có điện kháng tản lớn, phía thứ cấp được nối tiếp với cuộn điện kháng ngoài Vì thế đường đặc tính ngoài của máy rất dốc, phù hợp với yêu cầu hàn điện Sơ đồ nguyên lý của máy biến áp hàn hình 2.7

Muốn điều chỉnh dòng điện hàn, có thể thay đổi số vòng dây quấn thứ cấp của máy biến áp hoặc thay đổi điện kháng cuộn K, bằng cách thay đổi khe hở không khí của lõi thép Chế độ làm việc của máy biến áp hàn là ngắn mạch thứ cấp Điện áp định mức đầu ra thường 60  70V để an toàn cho người

1.1.5 Ổn áp.

Thiết bị có nhiệm vụ ổn định điện áp (gọi tắt

là ổn áp) rất cần cho các dụng cụ điện và điện tử để

đảm bảo chất lượng chúng mỗi khi điện áp nguồn

thay đổi, tần số điện giao động, hoặc khi tải thay

đổi Sau đây ta xét một số loại ổn áp thông dụng

a Ổn áp sắt từ

Cấu tạo của ổn áp sắt từ thường có hai phần khác nhau (hình 2.8), phần sơ cấp giống như biến áp thông thường chỉ có một cuộn dây W1, phần thứ cấp có nhiều cuộn dây và một

tụ C được đấu với nhau sao cho nó làm việc ở chế độ bảo hoà từ

Ưu điểm: Có độ bền cao, tác động nhanh nhậy hơn loại ổn áp từ ngẫu điều khiển qua động cơ secvô

Hình 2.8

Nhược điểm: Do làm việc ở chế độ bảo hoà nờn tổn hao điện nhiều, núng, độ ổn định thấp hơn cỏc loại ổn ỏp khỏc

b Ổn ỏp từ ngẫu điều khiển qua động cơ secvụ

Hỡnh 2.9 mụ tả tổng quan về ổn ỏp LIOA, gồm cú ba bộ phận

- Phần biến đổi điện ỏp là một mỏy biến ỏp tự ngẫu cú lừi hỡnh vành khăn

- Phần điều khiển gồm cú 2 IC để tự động điều chỉnh điện ỏp ra, trong đú 1IC nắn dũng ổn ỏp một chiều để lấy tớn hiệu chủ đạo, 1IC nắn dũng lấy tớn hiệu điện ỏp ra, cả hai tớn hiệu được đưa vào bộ so sỏnh

- Phần chấp hành gồm một động cơ secvụ được cấp điện từ bộ so sỏnh và một con trượt quay trực tiếp lờn dõy quấn

Nguyờn lý làm việc:

Khi điện ỏp ra giảm thỡ điện ỏp ra của IC nắn dũng ổn ỏp khụng đổi cũn điện ỏp ra của IC nắn dũng giảm nờn điện ỏp đầu ra của bộ so sỏnh khỏc 0 động cơ secvụ sẽ quay theo chiều sao cho con trượt quay về phớa làm tăng số vũng dõy thứ cấp và điện ỏp ra được nõng lờn

Khi điện điện ỏp ra tăng thỡ điện ỏp của IC ổn ỏp vẫn khụng đổi cũn điện ỏp ra của IC nắn dũng tăng, nờn điện ỏp đầu ra của bộ so sỏnh khỏc 0 và đảo chiều, động cơ secvụ sẽ quay theo chiều ngược lại và giảm điện ỏp ra

1.2 ĐỘNG CƠ KHễNG ĐỒNG BỘ BA PHA 1.2.1 Cấu tạo

Cấu tạo của máy điện không đồng bộ gồm 2 bộ phận chủ yếu là stato và rôto

a Stato(phần tĩnh)

Stato gồm 2 bộ phận chính là lõi thép và dây quấn

Lõi thép: Lõi thép stato hình trụ và đ-ợc ghép bởi các lá thép kỹ thuật điện (để giảm

IC ổn ỏp

Bộ so sỏnh

+

ĐC secvụ

tổn hao do dòng điện xoáy) có dập rãnh bên trong, ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo

h-ớng dọc trục (để đặt dây quấn) và lõi thép đ-ợc ép vào trong vỏ máy nh- hình 2.11

Dây quấn stato: Dây quấn stato làm bằng dây đồng bọc cách

điện (dây điện từ) đ-ợc đặt trong các rãnh của lõi

thép tạo thành dây quấn 3 pha Dòng điện xoay

chiều ba pha chạy trong 3 dây quấn stato sẽ tạo từ

tr-ờng quay

Ngoài ra có các bộ phần khác nh- vỏ máy,

nắp máy.Vỏ máy làm bằng nhôm hoặc bằng gang,

dùng để giữ chặt lõi thép và cố định máy trên bệ

Hai đầu vỏ có nắp máy, ổ đỡ trục Vỏ máy và nắp

máy còn dùng để bảo vệ máy

b Rôto (phần động)

Rôto là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy

Lõi thép: Lõi thép gồm các lá thép kỹ thuật điện đ-ợc rập rãnh mặt ngoài ghép lại, tạo

thành các rãnh theo h-ớng dọc trục, ở giữa có lỗ để lắp trục hình 6.3a

Dây quấn: Đ-ợc đặt trong rãnh của lõi thép rôto đ-ợc phân làm hai loại chính: rôto

kiểu lồng sóc và rôto kiểu dây quấn

- Loại rôto lồng sóc công suất trên 100kW, trong các rãnh của lõi thép rôto đặt các

thanh đồng, hai đầu nối ngắn mạch bằng 2 vòng đồng, tạo thành lồng sóc hình 6.3b

Với các động cơ công suất nhỏ, lồng sóc đ-ợc chế tạo bằng cách đúc nhôm vào các

rãnh lõi thép rôto, tạo thành thanh nhôm, hai đầu đúc vòng ngắn mạch và cánh quạt làm mát

Động cơ điện có rôto lồng sóc gọi là động cơ không đồng bộ lồng sóc đ-ợc ký hiệu hình

6.3d

- Loại rôto dây quấn, trong rãnh lõi thép rôto, đặt dây quấn ba pha giống nh- dây quấn

stato Dây quấn rôto th-ờng nối sao, ba đầu ra nối với ba vành tr-ợt bằng đồng gắn cố định

trên đầu trục, cách điện với nhau và cách điện với trục Thông qua 3 chổi than tỳ sát vào 3

vành tr-ợt, dây quấn rôto đ-ợc nối với 3 biến trở bên ngoài, để mở máy hay điều chỉnh tốc

độ Loại động cơ này gọi là động cơ không đồng bộ rôto dây quấn Ký hiệu hình 6.4

Hình 2.10

Hình 2.11

Hình 6.3

Động cơ lồng sóc là loại rất phổ biến, động cơ rôto dây quấn có -u điểm về mở máy và

điều chỉnh tốc độ xong giá thành đắt và vận hành kém tin cậy hơn động cơ lồng sóc, nên chỉ

đ-ợc dùng khi động cơ lồng sóc không đáp ứng đ-ợc các yêu cầu về truyền động

2.2.2 Nguyờn lý làm việc của động cơ khụng đồng bộ 3 pha

Khi ta cho hệ thống dũng điện ba pha đối

xứng tần số f vào ba dõy quấn stato, sẽ tạo ra từ

trường quay p đụi cực, quay với tốc độ là n1 = 60f

p

vũng/phỳt Từ trường quay cắt cỏc thanh dẫn của

dõy quấn rụto, cảm ứng cỏc sức điện động

Vỡ dõy quấn rụto nối ngắn mạch, nờn sức điện

động cảm ứng sẽ sinh ra dũng điện trong cỏc thanh

dẫn rụto Lực tỏc dụng tương hỗ giữa từ trường quay của mỏy với thanh dẫn mang dũng điện rụto, kộo rụto quay cựng chiều quay từ trường với tốc độ n

Để minh hoạ, trờn hỡnh 2.13 vẽ từ trường quay tốc độ n1, chiều sức điện động và dũng điện cảm ứng trong thanh dẫn rụto, chiều cỏc lực điện từ Fdt

Khi xỏc định chiều sức điện động cảm ứng theo quy tắc bàn tay phải, ta căn cứ vào chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn đối với từ trường Nếu coi từ trường đứng yờn, thỡ chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn ngược với chiều của từ trường quay n1, từ đú

ỏp dụng quy tắc bàn tay phải, xỏc định được chiều sức điện động và chiều dũng điện rụto như hỡnh 2.10

Biết chiều dũng điện rụto, ỏp dụng quy tắc bàn tay trỏi xỏc định được chiều lực điện từ

Fđt Kết quả là chiều rụto n quay cựng chiều với chiều quay n1 Nhưng tốc độ n của mỏy nhỏ hơn tốc độ từ trường quay n1 vỡ nếu n = n1 thỡ khụng cú sự chuyển động tương đối, do đú trong dõy quấn rụto khụng cú sức điện động và dũng điện cảm ứng, lực điện từ bằng khụng

Độ chờnh lệch giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ mỏy gọi là tốc độ trượt n2

Fđt

F đt

Hình 2.12

- Khi rôto quay định mức sđm = 0,020,06

Tốc độ động cơ là:

1 s

1.2.3 Mô men quay của động cơ điện không đồng bộ ba pha

Đặc tính cơ là quan hệ giữa tốc độ quay rôto và mô men điện từ trên trục động cơ n = f(M) Ở chế độ động cơ Mđt đóng vai trò mô men quay: Mđt = dt

 M = f(s) ứng với các hệ số trượt khác nhau

ta vẽ được quan hệ M(s) Muốn có đặc tính cơ

việc của động cơ là điểm M = Mc

Đặc điểm của mô men quay của động cơ

1) Mô men tỷ lệ với bình phương điện áp, nên

nếu U1thay đổi thì M thay đổi rất nhiều

2) Mô men có trị số cực đại Mmax ứng với giá

Mmax =

2 1

1 1 2

3pU

2(R X X ' ) (2.12)

Nhận xét:

1) sth  R'2: R2 tăng  sth giảm  n giảm

2) Mmax không phụ thuộc R'2 từ đó khi yêu cầu mô men mở máy lớn người ta đưa thêm điện trở phụ vào mạch rôto để có: M = Mmax ứng với s =1 (n=0)

Phương trình đặc tính cơ lúc mở máy:

1.2.4 Các phương pháp khởi động động cơ không đồng bộ 3 pha

a Các yêu cầu khi mở máy

Trong thực tế khi mở máy ta mong muốn:

+ Mômen mở máy phải đủ lớn để duy trì thời gian mở máy trong phạm vi cho phép (thời gian mở máy ngắn sẽ nâng cao năng suất, đặc biệt là đối với các hệ truyền động có yêu cầu cao về khởi động, đảo chiều và hãm điện nhiều) Nhưng nếu mômen mở máy quá lớn sẽ sinh ra lực động mạnh gây nên các hiện tượng rung, giật khi khởi động có thể phá hỏng kết cấu cơ khí

+ Dòng điện mở máy không được lớn quá trị số cho phép, dòng điện lớn sẽ gây hiện tượng sụt điện áp lưới nguy hiểm cho các thiết bị khác Đối với động cơ điện không đồng bộ

3 pha Khi mở máy, ban đầu động cơ chưa quay nên hệ số trượt s =1 Dòng điện pha khi

Hình 2.15

Mmax

M

s 1

Ta thấy dòng điện khi mở máy lớn hơn nhiều so với dòng điện định mức Do vậy, ta cần phải có các biện pháp mở máy thích hợp để hạn chế dòng điện khi mở máy nhưng vẫn giữ được mômen mở máy đủ lớn

- Với các động cơ có công suất nhỏ, ta có thể mở máy trực tiếp bằng cách đóng trực tiếp động cơ vào lưới điện

Nhược điểm của phương pháp này là dòng điện mở máy lớn có thể làm sụt điện áp lưới, nếu quán tính của máy lớn, thời gian mở máy lâu thì các thiết bị bảo vệ sẽ tác động

- Với các động cơ có công suất trung bình và lớn, để hạn chế dòng điện mở máy yêu cầu phải mở máy bằng các biện pháp kĩ thuật

a, Mở máy động cơ điện không đồng bộ ba pha rôto dây quấn

+ Mở máy trực tiếp

+ Mở máy nhờ các cấp điện trở phụ

b, Mở máy động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

Có nhiều phương pháp để mở máy động cơ điện không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc: + Mở máy trực tiếp

+ Mở máy bằng giảm điện áp ta có 3 phương pháp: Mở máy qua cuộn kháng; biến áp

tự ngẫu và mở máy bằng đổi nối Y-

b Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha

Trước đây, nếu có yêu cầu điều chỉnh tốc độ cao thường dùng động cơ điện một chiều Nhưng ngày nay, nhờ kỹ thuật điện tử phát triển việc điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ không gặp khó khăn với yêu cầu phạm vi điều chỉnh, độ bằng phẳng khi điều chỉnh và năng lượng tiêu thụ

Các phương pháp điều chỉnh chủ yếu có thể thực hiện:

- Trên Stato: thay đổi điện áp U đặt vào dây quấn stato, thay đổi số đôi cực từ p trên dây quấn stato, thay đổi tần số f của dòng điện đặt vào dây quấn stato nhờ bộ biến tần

+ Bộ biến tần là thiết bị biến đổi điện áp xoay chiều tần số f1 sang tần số khác thay đổi được f2 Các bộ biến tần thường được phân làm hai loại: biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp Các bộ biến tần thường được sử dụng để điều chỉnh tốc độ của động cơ đồng

1.3 ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ MỘT PHA

1.3.1 Cấu tạo

+ Stato chỉ có một dây quấn nối với lưới

điện xoay chiều một pha

+ Rôto thường là lồng sóc

1.3.2 Nguyên lý làm việc

Khi cho dòng điện xoay chiều chạy vào

dây quấn stato, dòng điện một pha không tạo ra từ

trường quay mà tạo ra từ trường có phương không

đổi trong không gian còn chiều và trị số thay đổi

theo sự

biến thiên của dòng điện Từ trường này gọi là từ trường đập mạch

Vì không phải là từ trường quay, nên khi cho dòng điện một pha vào dây quấn stato, động cơ không tự quay được Để cho động cơ điện làm việc được, trước hết ta phải quay rôto của động cơ điện theo một chiều nào đó, rôto sẽ tiếp tục quay theo chiều ấy và động cơ làm việc

Để giải thích rõ hiện tượng xảy ra trong động cơ điện một pha ta phân tích từ trường đập mạch thành hai từ trường quay, quay ngược chiều nhau cùng tốc độ quay n1 và biên độ bằng một nửa từ trường đập mạch

trong đó từ trường quay BI

có chiều quay trùng với chiều quay rôto, được gọi là từ trường quay thuận, còn từ trường quay BII

có chiều quay ngược chiều quay rôto gọi là từ trường quay ngược Trên hình 2.14b , B 

Trên hình 2.18 vẽ mômen quay MI do từ trường thuận sinh ra có trị số dương và MII do

từ trường ngược gây ra có trị số âm Mômen quay của động cơ là tổng đại số mômen MI và