Bài giảng điện kỹ thuật đh phạm văn đồng

9 Các suất điện động, dây quấn của máy phát và phụ tải trong một pha gọi là suất điện động pha, dây quấn pha, phụ tải pha… sau này ta quen gọi một cách không chính xác các dây quấn máy

2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG

KHOA CƠ BẢN

BỘ MÔN VẬT LÝ Biên soạn: Đỗ Mười

KỸ THUẬT ĐIỆN

Tháng 12-2016

LƯU HÀNH NỘI BỘ

3

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 6

CHƯƠNG 1 MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA 7

1.1 Khái niệm chung về mạch điện xoay chiều ba pha 7

1.2 Cách nối hình sao (Y) 9

1.3 Cách nối hình tam giác   .12

1.4 Công suất mạch ba pha 13

1.5 Ứng dụng cách nối hình sao và tam giác 15

CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 1 16

CHƯƠNG 2 MÁY BIẾN ÁP 19

2.1 Khái niệm chung về máy biến áp 19

2.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy biến áp 20

2.3 Các phương trình cân bằng điện và từ của máy biến áp 23

2.4 Hiệu suất của máy biến áp 30

2.5 Máy biến áp ba pha 34

2.6 Các máy biến áp đặc biệt 35

CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 2 40

CHƯƠNG 3 MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU 43

3.1 Khái niệm chung 43

3.2 Cấu tạo của máy điện không đồng bộ ba pha 43

3.3 Từ trường quay của máy điện không đồng bộ 44

3.4 Nguyên lý làm việc của máy điện không đồng bộ ba pha 49

3.5 Hệ số trượt và dòng điện trong rotor động cơ không đồng bộ 50

3.6 Các phương trình cân bằng điện và từ trong động cơ điện không đồng bộ ba pha 51

4

3.7 Momen quay của động cơ điện xoay chiều ba pha 59

3.8 Động cơ điện không đồng bộ một pha 61

3.9 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy điện đồng bộ 64

3.10 Nguyên lý làm việc của động cơ điện đồng bộ 67

3.11 Phản ứng phần ứng và điện áp của máy phát điện đồng bộ 69

3.12 Công suất và momen điện từ của máy điện đồng bộ 72

3.13 Đường đặc tính ngoài và đặc tính điều chỉnh của máy phát đồng bộ 74

CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 3 76

CHƯƠNG 4 MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 80

4.1 Cấu tạo 80

4.2 Nguyên lý làm việc của máy điện một chiều 81

4.3 Suất điện động và momen điện từ của máy điện một chiều 83

4.4 Máy phát điện một chiều 86

4.5 Động cơ điện một chiều 90

CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 4 99

CHƯƠNG 5 CÁC DỤNG CỤ ĐO ĐIỆN VÀ ĐO LƯỜNG ĐIỆN 102

5.1 Các khái niệm cơ bản về kỹ thuật đo lường 102

5.2 Các cơ cấu biến đổi điện cơ 108

5.3 Đo dòng điện và điện áp 116

5.4 Đo các thông số của mạch điện 121

5.5 Đo công suất và đo năng lượng điện 127

5.6 Đo hệ số công suất cos 134

5.7 Đo lường các đại lượng không điện 136

5.8 Đo lường số 137

CHƯƠNG 6 AN TOÀN ĐIỆN 141

5

6.1 Tác dụng sinh lý của dòng điện đối với cơ thể người 141

6.2 Các nguyên nhân gây ra tai nạn về điện 142

6.3 Các biện pháp bảo vệ an toàn điện 146

6.4 Các phương tiện bảo vệ và xử lý khi có tai nạn về điện 148

CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 6 152

PHỤ LỤC BIỂU DIỄN DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN BẰNG SỐ PHỨC 153

TÀI LIỆU THAM KHẢO 157

6

LỜI NÓI ĐẦU

Môn học Kỹ thuật điện được giảng dạy chính khóa cho sinh viên ngành Sư phạm Vật lý tại Trường Đại học Phạm Văn Đồng Đây là môn học có tính giao thoa giữa ngành Vật lý và các ngành khối kỹ thuật công nghệ nên các quá trình vật lý xảy ra trong các máy móc thiết bị sẽ được đặc biệt quan tâm trong tài liệu này

Mục đích của tài liệu là cung cấp cho người học những khái niệm cơ sở trong kỹ thuật điện, từ cấu tạo - nguyên lý hoạt động của các máy móc, thiết bị đến các ứng dụng của chúng trong đời sống Với nội dung bao gồm các phần: Mạch điện xoay chiều ba pha, máy biến áp, máy điện xoay chiều, máy điện một chiều, các dụng cụ đo điện - đo lường điện, an toàn điện Ở cuối mỗi phần đều có hệ thống các câu hỏi hoặc bài tập nhằm hệ thống hóa kiến thức đã học Ngoài ra, một số các phép biểu diễn dòng điện bằng số phức cũng được đưa vào tài liệu như phần phục vụ tra cứu

Vì là lần đầu tiên lưu hành, hẳn nhiên quyển tài liệu này không khỏi thiếu sót Người biên soạn xin chân thành tiếp thu ý kiến đóng góp của đồng nghiệp Mọi ý kiến xin gởi

về: Đỗ Mười, email: dmuoi@pdu.edu.vn

gồm nguồn điện ba pha, đường dây truyền tải và tải ba pha

Ngày nay, trong công nghiệp dùng rất rộng rãi điện năng dòng điện hình sin ba pha Động cơ điện ba pha có cấu tạo đơn giản và đặc tính tốt hơn động cơ một pha Hơn nữa, việc truyền tải điện năng bằng dòng điện ba pha tiết kiệm được kim loại màu hơn việc truyền tải điện năng bằng dòng điện một pha

Hình vẽ 1-1 vẽ mặt cắt ngang một máy phát điện ba pha đơn giản Phần quay (rotor) là một nam châm điện N – S Phần tĩnh (stator) gồm sáu rãnh, trên mỗi cặp rãnh đặt các dây quấn AX, BY, CZ, lệch nhau 0

120 hình học trong không gian Khi quay rotor, trong các dây quấn cảm ứng ra những suất điện động hình sin cùng biên độ và tần

số Các suất điện động sẽ lần lượt đạt các trị số cực đại ở thời điểm khi trục cực từ cắt các thanh dẫn ba cuộn dây, vì vậy chúng lệch pha nhau 0

C

Y N

S

Hình 1-1 Máy phát điện ba pha

Nếu chọn pha ban đầu của sức điện động trong cuộn dây AX bằng 0, thì các suất điện động tức thời eA, eB, eC trong các cuộn dây sẽ có dạng:

Hình 1-2 a) Đồ thị trị số tức thời sđđ ba pha b) Giản đồ vectơ sđđ ba pha

Nếu các dây quấn AX , BY , CZ của nguồn điện nối riêng rẽ với các phụ tải có tổng trở pha , , C, ta có hệ thống ba pha gồm ba mạch một pha không liên hệ nhau, mỗi mạch điện gọi là một pha của mạch điện ba pha (hình 1-3)

2   

 3 2

0 120 0 120

9

Các suất điện động, dây quấn của máy phát và phụ tải trong một pha gọi là suất điện động pha, dây quấn pha, phụ tải pha… sau này ta quen gọi một cách không chính xác các dây quấn máy phát là các pha của máy phát, các phụ tải pha là các pha của phụ tải Mỗi pha của máy phát và phụ tải có hai đầu ra: điểm đầu và điểm cuối Điểm đầu các pha

ký hiệu bằng những chữ cái A, B, C; điểm cuối các pha ký hiệu bằng những chữ cái tương ứng X, Y, Z Chiều dương dòng điện trong các pha máy phát quy ước đi từ điểm cuối đến điểm đầu, còn ngược lại ở trong các pha phụ tải đi từ điểm đầu đến điểm cuối

Hình 1-3 Hệ ba pha không liên hệ

Hệ thống mạch ba pha không liên hệ ít được ứng dụng trong thực tế vì cần tới sáu

dây dẫn không kinh tế Với cách nối các pha máy phát và phụ tải thành hình sao hoặc hình tam giác, giữa các pha mạch điện sẽ có liên hệ với nhau và mạch cần ít dây dẫn hơn

1.2 Cách nối hình sao (Y)

Hình 1-4 Mạch ba pha bốn dây

A

B C

X

Y Z

A I

C I

B I

A Z

C Z B Z

B

A

C

' A

' B '

C

A

d I I

0 I

B I

C I

p A

U U

d

AB

U U

10

- Mạch ba pha mắc hình sao tức là đấu ba điểm cuối X, Y, Z thành một điểm chung gọi là điểm trung tính (điểm O) Hình 1-4 vẽ mạch điện ba pha mà nguồn và phụ tải đều nối hình sao

- Dây dẫn nối với các điểm đầu A, B, C gọi là dây pha

- Dây dẫn nối với điểm O gọi là dây trung tính hay dây trung hòa

- Nếu mạch chỉ có ba dây pha A, B, C gọi là mạch ba pha ba dây Còn nếu có cả dây trung hòa A, B, C, O thì gọi là mạch ba pha bốn dây

- Dòng điện đi trong các cuộn dây pha gọi là dòng điện pha Ip

- Dòng điện đi trên các dây pha gọi là dòng điện dây Id

- Dòng điện đi trong dây trung tính ký hiệu là I0

- Điện áp giữa hai đầu cuộn dây pha gọi là điện áp pha Up

- Điện áp giữa hai dây pha gọi là điện áp dây Ud

Quan hệ giữa các đại lượng dây và pha

Theo sơ đồ hình sao (hình 1-4) ta thấy:

- Dòng điện đi trong cuộn dây pha chính là dòng điện đi trên dây pha tương ứng Suy ra dòng điện dây bằng dòng điện pha:

11

A

Hình 1-5 Giản đồ vectơ của mạch ba pha nối hình sao đối xứng

Xét  OABtrên giản đồ, ta thấy:

3 OB 2

3 OB 2 30 cos OB 2

AB là điện áp dây Ud, OB là điện áp pha Up

+ Về góc pha: điện áp dây vượt trước điện áp pha tương ứng một góc 0

30+ Về trị số: điện áp dây bằng 3 lần điện áp pha

O

030

12

1.3 Cách nối hình tam giác  

Mạch ba pha nối hình tam giác là lấy điểm cuối pha này với điểm đầu pha kia

Chẳng hạn nối X với B, Y với C và Z với A tạo thành một mạch vòng hình tam giác và ba

đỉnh tam giác nối với ba dây dẫn gọi là ba dây pha Hình 1-7 vẽ mạch điện ba pha mà

nguồn và phụ tải đều nối hình tam giác

Hình 1-7: Mạch ba pha nối hình tam giác

Quan hệ giữa các đại lượng điện áp, dòng điện dây và pha

Theo sơ đồ đấu tam giác (hình 1-7)

- Điện áp đặt vào đầu mỗi pha chính là điện áp dây:

d

p U

U   1.7

- Quy ước chiều dương của dòng điện các pha chạy ở nguồn ngược chiều kim đồng hồ,

còn chiều dương của dòng điện các pha ở phụ tải theo chiều kim đồng hồ Theo định luật

Hình 1-8 vẽ các vectơ dòng điện ba pha đấu hình tam giác đối xứng Từ hình vẽ ta thấy:

+ Về góc pha: Dòng điện dây chậm pha sau dòng điện pha một góc 0

30+ Về trị số: Dòng điện dây bằng 3 lần dòng điện pha Thực vậy xét, OABta thấy:

A

A

B C

A E

B E

C E

p I

d I

AB I

BC I CA

I

p U d U

C

d I I

13

p d

0 I OB , I OA

; 3 OB 2

3 OB 2 30 cos OB 2 OA

Hình 1-8 Giản đồ vectơ của mạch ba pha đối xứng nối hình sao

1.4 Công suất mạch ba pha

1.4.1 Công suất mạch ba pha đối xứng

Đối với mạch ba pha đối xứng, do trị số dòng điện hiệu dụng, điện áp và góc lệch pha ở ba pha nhƣ nhau nên công suất của các pha cũng bằng nhau

- Công suất tác dụng ba pha:

2 p p d

d p

p pha 1 pha

3 3P 3U I cos 3U I cos 3R I

+ Nếu mạch ba pha đấu sao thì:

p d

p d

I I

U 3 U





AB U

BC U CA

U

C I

AB

BA I BC I



AB I



BC I

A I O

14

+ Nếu mạch đấu tam giác thì:

p d

p d

UU

I3I





- Công suất phản kháng ba pha:

2 p p d

d p

pha 3 d d p

p

p 3U I 3U I P Q

1.4.2 Công suất mạch ba pha không đối xứng

Đối với mạch ba pha không đối xứng thì hệ thống điện ba pha là tập hợp ba mạch điện một pha, nên công suất chung của hệ thống là tổng công suất của các pha

- Công suất tác dụng của mỗi pha:

C C C C

B B B B

A A A A

cos I U P

cos I U P

cos I U P

Trong đó: UA,UB,UC là điện áp các pha; IA,IB,IC là dòng điện các pha; A,B,C

là góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp mỗi pha

- Công suất tác dụng của ba pha:

C C C B B B A A A C B A pha

3 P P P U I cos U I cos U I cos

- Công suất phản kháng ba pha:

C C C B B B A A A C B A pha

3 Q Q Q U I sin U I sin U I sin

- Công suất biểu kiến 3 pha:

2 pha 3 2

pha 3 pha

15

1.5 Ứng dụng cách nối hình sao và tam giác

Nguồn điện và phụ tải ba pha đều có thể nối hình sao hoặc hình tam giác, tùy theo điều kiện cụ thể như điện áp quy định của thiết bị, điện áp của mạng điện và một số yêu cầu về kỹ thuật khác Dưới đây ta xét vài trường hợp thường gặp

1.5.1 Cách nối nguồn điện

Nguồn điện có thể là máy phát điện hoặc máy biến áp Đối với máy phát điện có thể nối theo hình sao hoặc hình tam giác Nhưng thường hay nối hình sao để tránh dòng điện chạy quẩn trong dây quấn các pha Nếu nối dây quấn theo hình tam giác thì do hệ thống suất điện động của các pha không thể hoàn toàn đối xứng, nên trong mạch vòng dây quấn

sẽ xuất hiện sức điện động tổng:

0 e e e

1.5.2 Cách nối dây động cơ điện

Mỗi động cơ ba pha gồm có ba dây quấn pha Khi thiết kế người ta đã quy định điện

áp cho mỗi dây quấn Lúc động cơ làm việc yêu cầu phải đúng với điện áp quy định ấy

Ví dụ động cơ ba pha có điện áp quy định cho mỗi dây quấn là 220V (nghĩa là

V

220

Up  ), do đó trên nhãn hiệu của động cơ sẽ ghi là:  / Y  220 / 380 V Nếu như ta nối động cơ vào làm việc ở mạng điện có điện áp dây là 380V thì động cơ phải được nối hình sao, vì lúc đó điện áp đặt lên mỗi dây quấn pha của động cơ sẽ là 220 V

3

380

Up   , bằng đúng điện áp quy định Nếu động cơ được nối vào làm việc ở mạng điện có điện áp dây là 220V thì động cơ phải được nối hình tam giác, lúc đó điện áp đặt lên mỗi dây quấn bằng điện áp dây 220V, đúng bằng điện áp quy định

16

CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 1

1 Nêu những ưu điểm của mạch điện ba pha

2 Các đặc điểm của mạch điện ba pha đối xứng

3 Định nghĩa điện áp dây, điện áp pha, dòng điện dây, dòng điện pha và quan hệ giữa chúng khi nối sao và nối tam giác

4 Các biểu thức của công suất P, Q, S trong mạch ba pha đối xứng

5 Vẽ tam giác công suất dựa trên biểu thức của công suất P, Q, S trong mạch ba pha đối xứng, tìm biểu thức cos  dựa trên tam giác công suất đó

6 Hãy nêu ý nghĩa vật lý của hệ số công suất cos  của một mạng điện

7 Hãy giải thích tại sao ở một pha của mạch điện xoay chiều ta có:

n 2

1

n 2

1

Q

QQQ

P

PPP

Với điều kiện nào thì dấu = xảy ra

8 Cho một mạch điện ba pha, nguồn điện nối hình sao, tải nối hình tam giác Điện áp pha

của nguồn là Upn  200 V, tổng trở pha tải Z pt 4 j 3 ( )

.







a Tính điện áp pha tải, I p và Id

b Tính công suất tác dụng, công suất phản kháng và công suất biểu kiến trên tải 3 pha

Đáp số: U p 200 3 V I p 40 3 A I d 120 A ; P57600 W ; Q43200 Var ; S72000 VA

17

9 Một nguồn điện xoay chiều 3 pha có Up  220 V Khi đấu các pha của nguồn theo hình sao người ta đã đấu ngược ở pha A (các điểm A và Y, Z được nối với nhau thành điểm trung tính của máy phát) Tính điện áp UXB, UBC, UCX

Đáp số: U XB 220 V ; U BC 380 V ; U CX 220 V

10 Cho mạch điện 3 pha, tải nối sao, nguồn nối tam giác Nguồn và tải đều đối xứng Dòng điện pha của tải là Ipt  50 A, điện áp pha của tải là Upt  220 V

a Hãy vẽ sơ đồ nối dây mạch 3 pha trên, kí hiệu rõ các đại lượng trên sơ đồ

b Tính dòng điện pha nguồn Ipn và điện áp pha nguồn Upn

Đáp số: I pn 28 86 A ; U pn 380 V

11 Một tải 3 pha có điện trở mỗi pha Rp  6 , điện kháng pha Xp  8 , nối tam giác, đấu vào mạng điện có Ud  220 V

a Tính dòng điện pha I p, dòng điện dây I d

b Tính công suất tác dụng, công suất phản kháng, công suất biểu kiến trên tải 3 pha

Đáp số: I d 22 3 A I p 22 A ; P8712 W ; Q11616 Var ; S 14520 VA

12 Cho mạch điện 3 pha tải nối hình sao đối xứng đấu vào mạng điện 3 pha có điện áp dây là 380V, điện trở R  20 , điện kháng XL  15 

a Tính dòng điện pha Ip và dòng điện dây Id

b Tính công suất tác dụng, công suất phản kháng và công suất biểu kiến trên tải 3 pha

380

/

Y   Người ta đấu động cơ vào mạng điện 220V/127V

a Xác định cách đấu dây động cơ

b Tính công suất điện động cơ tiêu thụ từ lưới điện ở chế độ định mức

c Tính dòng điện dây Id và dòng điện pha Ip của động cơ

Đáp số: a) Động cơ nối theo hình tam giác b ) P 1 14 2 kW c I d 41 28 A d I p 23 86 A

Đầu vào của máy biến áp nối với nguồn điện, đƣợc gọi là sơ cấp Đầu ra nối với tải gọi là thứ cấp Các đại lƣợng, các thông số sơ cấp trong kí hiệu có ghi chỉ số 1: số vòng dây sơ cấp N1, điện áp sơ cấp U1, dòng điện sơ cấp I1, công suất sơ cấp P1 Các đại lƣợng

và thông số thứ cấp có chỉ số 2: số vòng dây thứ cấp N2, điện áp thứ cấp U2, dòng điện thứ cấp I2, công suất thứ cấp P2

Nếu điện áp thứ cấp lớn hơn sơ cấp là máy biến áp tăng áp Nếu điện áp thứ cấp nhỏ hơn điện áp sơ cấp gọi là máy biến áp giảm áp

Công suất định mức của máy biến áp là công suất biểu kiến thứ cấp ở chế độ làm việc định mức Công suất định mức ký hiệu là Sđm, đơn vị là kVA

-Đối với máy biến áp một pha, công suất định mức là

đm 1 đm 1 đm 2 đm 2

đm U I U I

-Đối với máy biến áp ba pha, công suất định mức là

đm 1 đm 1 đm

2 đm 2

20

Hình 2-1: Sơ đồ truyền tải điện năng từ máy phát tới nơi tiêu thụ

2.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy biến áp

2.2.1 Cấu tạo

Máy biến áp có hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn

Lõi thép của máy biến áp dùng để dẫn từ thông chính, đƣợc chế tạo từ các vật liệu dẫn từ tốt, nó còn đƣợc gọi là mạch từ Lõi thép gồm các trụ thép và gông từ Các dây quấn đƣợc lắp đặt trên trụ thép, gông từ là phần khép kín mạch từ giữa các trụ Lõi thép đƣợc làm bằng lá thép kỹ thuật điện (dày 0.35mm đến 0.5mm, mặt ngoài sơn cách điện)

và ghép chặt thành khối nhƣ hình 2-2

Hình 2-2 Lõi thép và dây quấn máy biến áp

Dây quấn máy biến áp đƣợc chế tạo từ vật liệu bằng đồng hay nhôm, bên ngoài dây dẫn đƣợc bọc cách điện Các dây quấn của máy biến áp đƣợc quấn trên các trụ thép, gồm nhiều lớp Giữa các lớp dây quấn, giữa các dây quấn và giữa mỗi dây quấn và lõi thép

1

kV 6

kV 220 / 6

2

kV 220

3

5

kV 6 / 220

4

kV 22 0 /

kV 22 0

P , I

Nếu đặt vào cuộn dây sơ cấp của máy biến áp một dòng điện xoay chiều với điện áp

1

U , dòng điện xoay chiều qua cuộn dây sẽ tạo ra trong mạch từ một từ thông  Do mạch

từ khép kín nên từ thông này móc vòng qua các cuộn dây của máy biến áp và sinh ra trong đó suất điện động

- Ở cuộn sơ cấp:

dt

d N





Hình 2-3 Sơ đồ nguyên lý máy biến áp

Vì  là từ thông biến thiên nên theo định luật cảm ứng điện từ, ở dây quấn sơ cấp sẽ

có suất điện động cảm ứng e1, còn ở dây quấn thứ cấp có suất điện động cảm ứng e2 Giả sử   maxsin  t

2 t sin 2 fN

44 4

2 t sin fN

2 t cos N

dt

d N e

1

max 1

max 1 max

1 1

2 t sin 2 fN

44 4 dt

d N e

2

max 2 2

2

trong đó: E1 4 44 fN1max là giá trị hiệu dụng của suất điện động sơ cấp

E2 4 44 fN2max là giá trị hiệu dụng của suất điện động thứ cấp

f là tần số của dòng xoay chiều điện áp U1

Hệ số biến áp k của máy biến áp là tỉ số:

2 1 2

1 N

N E

N E

E U

U

2 1 2 1 2

1   

nghĩa là tỉ số điện áp sơ cấp và thứ cấp gần đúng bằng tỉ số vòng dây tương ứng Với k  1: máy biến áp hạ áp

k  1: máy biến áp tăng áp

Như vậy, dây quấn sơ cấp và thứ cấp không 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, có thể coi gần đúng:

23

k I

I U U

I U I U

2 1 2 1

2 2 1 1

2.3 Các phương trình cân bằng điện và từ của máy biến áp

Để thiết lập được các phương trình cân bằng điện và từ của máy biến áp, ta xét sơ đồ máy biến áp một pha hai dây quấn như hình 2-4

Dây quấn sơ cấp nối với nguồn có điện áp U1 , dây quấn thứ cấp nối với tải có tổng trở Zt

Ngoài từ thông chính , trong máy còn có từ thông tản Từ thông này móc vòng lấy các dây quấn và tản ra ngoài không khí (hình 2-4), nghĩa là nó không tham gia vào liên kết điện từ giữa hai mạch điện do đó không đóng góp vào việc truyền năng lượng trong máy biến áp Từ thông tản sơ cấp kí hiệu t1 N1t1 khi móc vòng dây quấn sơ cấp, và được đặc trưng bởi điện cảm tản L1:

1

1 t 1 i



24

Trên hình vẽ 2-4, chiều của

.

I , E , I , E được chọn phù hợp với chiều của từ thông chính  theo quy tắc vặn nút chai

2.3.1 Phương trình điện áp sơ cấp

Xét mạch điện sơ cấp, gồm nguồn điện áp u1, suất điện động e1, điện trở dây quấn

sơ cấp R 1, điện cảm tản sơ cấp L 1 như hình 2-5 Áp dụng định luật Kirchhoff 2 cho mạch

điện sơ cấp, ta có phương trình cân bằng điện áp sơ cấp viết dưới dạng trị số tức thời:

1 1 1 1 1

dt

di L

i

hay

1 1 1 1 1

dt

di L i R

1 R j L R jX

trong đó X1  L1 là điện kháng tản dây quấn sơ cấp

Phương trình cân bằng điện áp sơ cấp viết dưới dạng số phức:

U R I jX I E Z I E 2 12

2.3.2 Phương trình cân bằng điện áp thứ cấp

Xét mạch điện thứ cấp gồm suất điện động e2, điện trở dây quấn thứ cấp R2, điện

cảm tản dây quấn thứ cấp L2, tổng trở tải Zt như hình 2-6 Áp dụng định luật Kirchhoff 2

cho mạch này với các giá trị tức thời, ta có:

25

2 2 2 2 2

dt

di L i

dt

di L i R e

Z2  R2  jX2 là tổng trở phức của dây quấn thứ cấp

X2   L2 là điện kháng tản của dây quấn thứ cấp

Điện áp thứ cấp U 2 chính là điện áp đặt lên tải dó đó:

Vì điện áp đặt vào biến áp U1 không đổi nên E1 4 44 fN1max  const  max  const

Ở chế độ không tải I2  0, dòng sơ cấp lúc này là dòng không tải I 0 nên suất từ động sơ cấp là i 0 N 1 sinh ra từ thông chính

2

2

26

Khi máy biến áp mang tải I2  0 lúc này suất từ động của máy là i1N1 i2N2 sinh ra

từ thông chính của máy, có dấu  trước i2 vì chiều i2 không phù hợp với chiều của 

chính

Theo lý luận ở trên, vì max không đổi nên suất từ động lúc không tải bằng suất từ động của máy lúc có tải:

' 2 0 1

' 2 1 2 1 2 1

2 1 1

2 2 1 0

2 2 1 1 1 0

i i i

i i k

i i N N

i i N

N i i i

N i N i N i

i'2  2 là dòng điện thứ cấp đã quy đổi về phía sơ cấp

Nếu viết dưới dạng số phức thì:

Phương trình cân bằng từ cho ta thấy rõ quan hệ giữa mạch điện sơ cấp và thứ cấp

2.3.4 Sơ đồ thay thế máy biến áp

Hệ ba phương trình cân bằng điện và từ được gọi là mô hình toán của máy biến áp

27

Từ mô hình toán này ta sẽ tìm cách xây dựng mô hình mạch điện thay thế phản ánh dầy đủ quá trình năng lượng diễn ra trong máy biến áp, thuận lợi cho việc nghiên cứu máy biến áp

Do 2 cuộn sơ cấp và thứ cấp liên hệ với nhau qua mạch từ 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 19 và 2 15với k, ta có:

2 2

2 2 ' 2 2 2 ' 2 2 2 '

2 k Z ; R k R ; X k X

t 2 ' t t 2 ' t t 2 '

t k Z ; R k R ; X k X

2 2

II'k

Phương trình 2 19 và 2 15 trở thành:

' 1

I kE I

t 2 t 2 2 2 ' t 2 ' 2

2 2 2 2 2 2 2 ' 2 2 ' 2

R I R k k

I R I

R I R k k

I R I

Xét 2 26 , -E1 là điện áp rơi trên tổng trở từ hóa Zth đăc 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:

st R I

P 

 th

X là điện kháng từ hóa đặc trưng cho từ thông chính 

Thay giá trị E1 Z Ith 0 vào 2 18, 2 26 và kết hợp với 2 20, 2 27 ta được hệ các phương trình của máy biến áp sau khi quy đổi là:

Hình 2-7 Sơ đồ thay thế máy biến áp

Thông thường tổng trở nhánh từ hóa rất lớn, dòng điện I 0 nhỏ, do đó có thể bỏ nhánh từ hóa, ta có sơ đồ thay thế đơn giản hình 2-8 Sơ đồ đơn giản này được sử dụng nhiều trong tính toán gần đúng máy biến áp

Hình 2-8 Sơ đồ thay thế đơn giản hóa của máy biến áp

Trong sơ đồ hình 2-8, ta có:

' 2 1

n R R

R   là điện trở ngắn mạch của máy biến áp

' 2 1

n X X

X   là điện kháng ngắn mạch của máy biến áp

n 2 n

n R X

Z   là tổng trở ngắn mạch của máy biến áp

n n

th R

th X

1

U

1

i i ' 2 0 i

2

2

t k Z '

Z 

n R

n X

30

2.4 Hiệu suất của máy biến áp

2.4.1 Tổn hao và hiệu suất của máy biến áp

Khi làm việc, máy biến áp lấy từ mạng điện công suất tác dụng P1 Công suất này được phân bổ như sau, một phần P1 là  P1 bị tiêu hao dưới dạng nhiệt ở điện trở R1 của dây quấn sơ cấp; một phần bị tổn hao trong lõi biến áp do dòng điện xoáy và hiện tượng

từ trễ làm nóng lõi thép Tổn hao sắt từ  Pst không phụ thuộc vào dòng điện phụ tải mà chỉ phụ thuộc vào từ thông cơ bản, nghĩa là phụ thuộc vào điện áp đặt vào máy, vật liệu cấu tạo nên lõi thép và trọng lượng của nó Phần công suất còn lại P đt  P 1  P đ 1   P st

được gọi là công suất điện từ Công suất này, thông qua trường điện từ của từ thông cơ bản trong lõi thép được truyền từ dây quấn sơ cấp sang dây quấn thứ cấp Ở dây quấn thứ cấp một phần công suất Pđt bị tổn hao dưới dạng nhiệt trên điện trở R2 là  Pđ2, phần còn lại thông qua dây quấn thứ cấp để truyền phụ tải cho P2

Do vậy hiệu suất của máy biến áp là:

đ st 2 2 1

2

P P P

P P

P , công suất tổn hao đồng  Pđ   Pđ1  Pđ2 và công suất tổn hao lõi thép  Pst

Từ 2 33 ta thấy rằng hiệu suất của máy biến áp thay đổi theo phụ tải Hiệu suất của máy biến áp đạt giá trị cực đại khi  Pst   Pđ

2.4.2 Thí nghiệm không tải

Chế độ không tải là chế độ mà phía thứ cấp hở mạch, phía sơ cấp đặt vào điện áp định mức U 1đm

Khi không tải I2  0 ta có:

0 Z Z

Z   là tổng trở máy biến áp không tải

Sơ đồ thay thế máy biến áp không tải vẽ trên hình 2-9

31

Hình 2-9 Sơ đồ máy biến áp không tải

Ở chế độ không tải, công suất đƣa ra phía thứ cấp bằng không, nhƣng máy vẫn tiêu thụ công suất P0, công suất P0 gồm công suất tổn hao sắt từ  Pst trong lõi thép và công suất tổn hao trên điện trở dây quấn sơ cấp  P1 Vì dòng điện không tải nhỏ nên có thể bỏ qua công suất tổn hao trên điện trở và coi gần đúng:

V 1

*

*

Hình 2-10 Thí nghiệm không tải của máy biến áp

Tổn hao sắt từ  Pst đƣợc tính dựa vào đặc tính của thép nhƣ sau:

G 50

f B P P

3 1 2 50 0 1

1

th R

th X

0 I

đm 1 2 1 2

1

U

U N

N E

U

Vì tổng trở của dây quấn sơ cấp Z1 Zth nên điện trở của nhánh từ hóa:

2 0

0 th I

P

Điện kháng nhánh từ hóa:

2 th 2 th

th Z R

Hệ số công suất không tải:

3 0 1 0 I U

P cos

0 đm 1

Chế độ ngắn mạch là chế độ mà phía thứ cấp bị nối tắt lại, sơ cấp vẫn đặt vào điện

áp định mức Trong vận hành, do nhiều nguyên nhân làm máy biến áp bị ngắn mạch nhƣ

V 1

*

*

Hình 2-11 Thí nghiệm ngắn mạch của máy biến áp

Do điện áp đặt vào cuộn sơ cấp trong thí nghiệm này rất nhỏ nên ta có thể bỏ qua công suất tổn hao trong lõi thép; do vậy công suất đo đƣợc ở đây Pn một cách gần đúng

có thể coi bằng công suất tổn hao trên điện trở sơ cấp Pđ1 và thứ cấp Pđ2

2 đm 1 ' 2 1 2 đ 1 đ n

đ 2 đ 1 đ n

P I

R I R R P P P

P P P P

n n I

U

Từ 2 40 suy ra điện trở ngắn mạch:

2 đm 1

n ' 2 1 n

I

P R R

U

Điều chỉnh điện

áp

34

Điện kháng ngắn mạch:

2 n 2 n

2

R R R

n ' 2 1

n ' 2 1

2

' 2 2 k

X X k

R R





2.5 Máy biến áp ba pha

Để biến đổi điện áp của hệ thống dòng điện ba pha, ta có thể dùng máy biến áp ba pha Máy biến áp ba pha có thể gồm 3 máy biến áp một pha ghép lại, các cuộn dây của chúng có thể nối hình sao như hình 2-12a, hoặc tam giác Loại biến áp ba pha này ít được

sử dụng trong thực tế vì nó không kinh tế, nhưng lại thích hợp với công tác thực hành ở trường phổ thông

Hình 2-12a Biến áp ba pha do ba biến áp một pha tạo thành

Trong thực tế người ta thường dùng máy biến áp ba pha có mạch từ chung như hình

vẽ 2-12b Trên mỗi trụ của mạch từ này có hai dây quấn; dây quấn cao áp và dây quấn hạ

35

áp Các điểm đầu của dây quấn cao áp ba pha được kí hiệu là A, B, C và của dây quấn hạ

áp ba pha là a, b, c Các điểm cuối của dây quấn cao áp ba pha được ký hiệu là X, Y, Z còn của dây quấn ba pha hạ áp là x, y, z

Hình 2-12b Máy biến áp ba pha

Các dây quấn ba pha phía sơ cấp và thứ cấp có thể nối theo hình  hoặc  Ở các máy biến áp công suất lớn, các dây quấn ba pha đều nối  /  (dây quấn phía cao áp đấu

 , dây quấn phía hạ áp đấu ) hoặc  /  Dây quấn hạ áp trong trường hợp này không yêu cầu có dây trung tính

2.6 Các máy biến áp đặc biệt

2.6.1 Máy biến áp tự ngẫu

Máy biến áp tự ngẫu còn gọi là máy tự biến áp, nó chỉ có một cuộn dây trong đó cuộn dây điện áp thấp là một phần của cuộn dây điện áp cao như hình 2-13 Nếu cuộn dây điện áp cao được dùng làm cuộn sơ cấp, ta có biến áp tự ngẫu giảm áp, hoặc ngược lại ta

có biến áp tự ngẫu tăng áp

Hình 2-13 Máy biến áp tự ngẫu

36

Từ hình vẽ 2-13, ta có:

2 1 2

1 N

N U

U



Nếu thay đổi vị trí điểm trượt thì sẽ thay đổi được số vòng dây N2 và do đó thay đổi được điện áp U2 Do đó máy tự biến áp dùng để điều chỉnh điện áp một cách liên tục

Hình 2-14 Máy tự biến áp làm việc với các điện áp khác nhau

Từ sơ đồ ta thấy, sự truyền tải năng lượng từ sơ cấp qua thứ cấp trong máy tự biến

áp bằng hai đường: điện và điện từ Trong khi đó ở các máy biến áp thông thường có dây quấn sơ cấp và thứ cấp riêng biệt, năng lượng từ sơ cấp qua thứ cấp chỉ bằng điện từ Vì thế máy tự biến áp có tiết diện lõi thép bé hơn máy biến áp thông thường Máy tự biến áp chỉ có một cuộn dây cho nên tiết kiệm được dây dẫn và giảm tổn hao

Máy tự biến áp có nhược điểm là mức độ an toàn điện không cao, vì sơ cấp và thứ cấp liên hệ trực tiếp về điện với nhau

2.6.2 Máy biến áp đo lường

Để đo các điện áp và dòng xoay chiều lớn người ta dùng máy biến điện áp để đo điện áp cao và máy biến dòng để đo dòng điện lớn

a Máy biến điện áp: Dùng để biến đổi điện áp cao xuống điện áp thấp để đo lường bằng

các dụng cụ thông thường Số vòng dây thứ cấp N2 phải nhỏ hơn số vòng dây sơ cấp N1 Thông thường người ta quy định điện áp thứ cấp U2đm 100 V Khi mắc dây, cuộn dây sơ cấp nối song song với điện áp lớn cần đo, cuộn thứ cấp nối với vôn mét, hoặc các mạch điện áp của các dụng cụ khác như cuộn dây điện áp của oát mét v.v… Trong khi làm việc không để cho máy biến điện áp ngắn mạch

vào U

ra U

37

A

Hình 2-15 Máy biến dòng

b Máy biến dòng điện: Dùng biến đổi dòng điện lớn xuống dòng điện nhỏ để đo lường

và một số mục đích khác Vì dòng điện thứ cấp nhỏ hơn dòng điện sơ cấp, nên số vòng dây thứ cấp N2 nhiều hơn số vòng dây sơ cấp N1 Dòng điện thứ cấp định mức là I2  5 A Khi nối dây, cuộn dây sơ cấp đấu nối tiếp với dòng điện lớn cần đo; cuộn thứ cấp nối với ampe mét hoặc mạch dòng điện của các dụng cụ khác như cuộn dòng điện của oát mét v.v… Đối với máy biến dòng không được để hở mạch thứ cấp

V

Hình 2-16 Máy biến điện áp

2.6.3 Máy biến áp hàn điện

Máy biến áp hàn điện là một loại máy biến áp đặc biệt dùng để hàn kim loại bằng phương pháp hồ quang điện Máy biến áp hàn điện được chế tạo sao cho có điện kháng tản lớn Ngoài ra dây quấn thứ cấp được mắc nối tiếp với cuộn điện kháng, do vậy máy có đường đặc tính tải rất dốc phù hợp với yêu cầu của việc hàn điện (hình 2-17) Trên hình 2-18, vẽ sơ đồ nguyên lý của máy biến áp hàn điện

1 N

2 N A

a

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 thứ cấp định mức máy biến áp hàn thường 60  70 V

U U U U K

K

Ổn áp sắt từ có hai cuộn dây kháng mắc nối tiếp, một cuộn là cuộn dây tuyến tính 1

N và cuộn kia là cuộn dây bão hòa N2(hình 2-19a) Điện áp ra U2 lấy trên cuộn bão hòa Đặc tính Vôn-Ampe của bộ ổn áp được vẽ ở hình 2-19b Đường số 1 là đặc tính Vôn-Ampe của cuộn kháng tuyến tính Đường số 2 là đặc tính Vôn-Ampe của cuộn dây bão hòa Đường số 3 là đặc tính Vôn-Ampe của hai cuộn dây mắc nối tiếp

3

O U

Hình 2-19 Ổn áp sắt từ

Từ hình 2-19b, ta thấy rằng khi điện áp vào biến thiên lớn ( U1 lớn) nhưng vì đặc tính bão hòa của cuộn dây N2 nên độ biến thiên điện áp ra  U2 nhỏ, do vậy điện áp ra U2gần như không đổi Bộ ổn áp sắt từ có nhược điểm là tốn nhiều nguyên liệu và điện áp ra

bị méo

40

CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 2

1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy biến áp một pha

2 Thiết lập phương trình cân bằng điện áp trong máy biến áp một pha

3 Thiết lập phương trình cân bằng sức từ động trong máy biến áp một pha

4 Giải thích sự truyền điện năng từ cuộn sơ cấp sang cuộn thứ cấp khi máy biến áp mang tải

5 Thí nghiệm không tải và thí nghiệm ngắn mạch của máy biến áp một pha

6 Trong máy biến áp ba pha, hãy chứng minh rằng tỉ số điện áp pha giữa sơ cấp và thứ cấp không phụ thuộc vào cách đấu dây (hình sao hay tam giác của các dây quấn) và luôn

luôn bằng tỉ số vòng dây

2

1 N N

7 Tính công suất tổn hao đồng trong máy biến áp tự ngẫu

2 1 2 1

; kV 8 126 U

; Hz 50 f

; VA

20000

Sđm đm 1đm 2đm , tiết diện lõi thép 2

cm 95 35

S  (hệ số ép chặt bằng 1), từ cảm trong lõi thép Bm 1 55 T Tính số vòng dây N1và N2

9 Một biến áp một pha có Sđm 2500 VA , U1đm 200 V , U2đm 127 V Thí nghiệm không tải có: U10 220 V ; I10 1 4 A ; P10 30 W Thí nghiệm ngắn mạch có các số liệu:

W 80 P

; A 8 8 U

; A 35