Bài giảng máy điện (đại học chính quy)

Đối với dây quấn MBA ba pha: các đầu đầu và đầu cuối chọn một cách thống nhất theo một chiều nhất định hình 1.7, nếu không điện áp ra của ba pha sẽ không đối xứng hình 1.8.. Ví dụ một MB

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

PHẦN I MÁY BIẾN ÁP 3

CHƯƠNG 1: NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN CỦA MÁY BIẾN ÁP 3

1.1 Khái niệm chung về máy biến áp 3

1.2 Tổ nối dây và mạch từ của máy biến áp 9

1.3 Các quan hệ điện từ trong máy biến áp 15

CHƯƠNG 2: MÁY BIẾN ÁP LÀM VIỆC Ở TẢI XÁC LẬP ĐỐI XỨNG VÀ CÁC DẠNG ĐẶC BIỆT 27

2.1 Máy biến áp làm việc ở tải xác lập đối xứng 27

2.2 Các loại máy biến áp đặc biệt 31

PHẦN II: MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 40

CHƯƠNG 1: QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 40

1.1 Đại cương về máy điện không đồng bộ 40

1.2 Quan hệ điện từ trong máy điện KĐB 44

CHƯƠNG 2: MỞ MÁY VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KĐB 55

2.1 Quá trình mở máy động cơ KĐB 55

2.2 Các phương pháp mở máy động cơ KĐB 55

2.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB 62

CHƯƠNG 3 DÂY QUẤN MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU 67

3.1 Các khái niệm cơ bản 67

3.2 Các loại dây quấn máy điện xoay chiều 69

3.3 Dây quấn động cơ không đồng bộ ba pha nhiều tốc độ 75

CHƯƠNG 4: CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC VÀ CÁC DẠNG KHÁC CỦA MÁY ĐIỆN KĐB 77

4.1 Các chế độ làm việc đặc biệt của động cơ KĐB 77

4.2 Các dạng khác của MĐ KĐB 77

PHẦN III MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 81

CHƯƠNG 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 81

1.1 Đại cương về máy điện đồng bộ 81

1.2 Nguyên lý làm việc của máy điện ĐB 83

CHƯƠNG 2 TỪ TRƯỜNG VÀ QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 85

2.1 Từ trường trong máy điện đồng bộ 85

2.2 Quan hệ điện từ trong máy điện đồng bộ 85

3.1 Động cơ điện đồng bộ 87

3.2 Máy bù đồng bộ 87

3.3 Máy điện đồng bộ đặc biệt 87

PHẦN IV MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 89

CHƯƠNG 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY ĐIỆN 1 CHIỀU 89

1.1 Cấu tạo của máy điện 1 chiều, các đại lượng định mức 89

1.2 Các thông số định mức 91

1.3 Nguyên lý làm việc của máy điện 1 chiều 91

CHƯƠNG 2 TỪ TRƯỜNG VÀ QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MÁY ĐIỆN 1 CHIỀU 94

2.1 Từ trường trong máy điện 1 chiều 94

2.2 Quan hệ điện từ trong máy điện 1 chiều 94

CHƯƠNG 3 MÁY PHÁT VÀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU 98

3.1 Máy phát điện 1 chiều 98

3.2 Động cơ điện 1 chiều 106

3.3 Máy điện 1 chiều đặc biệt 108

PHẦN I MÁY BIẾN ÁP CHƯƠNG 1: NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN CỦA MÁY BIẾN ÁP

1.1 Khái niệm chung về máy biến áp

1.1.1 Đại cương

a 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 thay đổi

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

3 Điện áp dây thứ cấp định mức U2đm (V hay kV) là điện áp của dây quấn thứ cấp khi MBA không tải và điện áp đặt vào dây quấn sơ là định mức U1 = U1đm

4 Dòng điện dây sơ cấp định mức I1đm (A hay 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 MBA một pha:

đm

đm đm đm

đm đm

U

S I

U

S I

2 2

đm

đm đm

U

S I

U

S I

2 2

1 1

c Vai trò và công dụng của MBA

Để dẫn điện từ nhà máy phát điện đến hộ tiêu thụ cần phải có đường dây tải điện

Hình 1.1 Sơ đồ cung cấp điện đơn giản

(hình 1.1) 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

Ta có, dòng điện truyền tải trên đường dây:

I = P/(Ucosϕ)

Và tổn hao công suất trên đường dây:

ΔP = Rd.I2 = RdP2/(U2cos2ϕ) 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 cosϕ là hệ số công suất của lưới điện, còn ϕ

là góc 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, 500kV Trên thực tế các máy phát điện chỉ phát ra điện áp từ 3 ÷ 21kV, do đó phải có thiết bị tăng điện áp ở đầu đường dây Mặt khác các hộ tiêu thụ thường yêu cầu điện áp thấp, từ 0.4 ÷ 6kV, vì vậy cuối đường dây phải có thiết bị giảm điện áp xuống Thiết bị dùng để tăng điện áp ở đầu đường dây và giảm điện áp cuối đường dây gọi là máy biến áp (MBA)

Lõi thép MBA dùng để dẫn từ thông, được chế tạo bằng 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 1.2) Trụ T là phần để đặt dây quấn còn gông G là phần nối liền giữa các trụ để tạo thành mạch từ kín

Dây quấn MBA

Nhiệm vụ của dây quấn MBA là nhận năng lượng vào và truyền năng lượng ra Dây quấn MBA 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 MBA có hai loại chính như:

1 Dây quấn đồng tâm: ở dây quấn đồng tâm tiết diện ngang là những vòng tròn đồng tâm Những kiểu dây quấn đồng tâm chính gồm:

Dây quấn hình trụ (hình 1.3a,b), dùng cho cả dây quấn hạ áp và cao áp;

Dây quấn hình xoắn (hình 1.3c), dùng cho dây quấn hạ áp có nhiều sợi chập; Dây quấn hình xoáy ốc liên tục (hình 1.3d), dùng cho dây quấn cao áp, tiết diện dây dẫn chữ nhật

2 Dây quấn xen kẽ: Các bánh dây cao áp và hạ áp lần lượt xen kẻ nhau dọc theo trụ thép

Vỏ MBA

Vỏ MBA làm bằng thép gồm hai bộ phận: thùng và nắp thùng

1 Thùng MBA: Trong thùng MBA (hình 1-4) đặt lõi thép, dây quấn và dầu biến

áp Dầu biến áp làm nhiệm vụ tăng cường cách điện và tản nhiệt Lúc MBA làm việc, một phần năng lượng tiêu hao thoát ra dưới dạng nhiệt làm dây quấn, lõi thép và các

bộ phận khác nóng lên Nhờ sự đối lưu trong dầu và truyền nhiệt từ các bộ phận bên trong MBA sang dầu và từ dầu qua vách thùng ra môi trường xung quanh

2 Nắp thùng MBA: Dùng để đậy trên thùng và trên đó có các bộ phận quan trọng như: + Sứ ra của dây quấn cao áp và dây quấn hạ áp Làm nhiệm vụ cách điện

+ Bình dãn dầu (bình dầu phụ) có ống thủy tinh để xem mức dầu

+ Ống bảo hiểm: làm bằng thép, thường làm thành hình trụ nghiêng, một đầu nối với thùng, một đầu bịt bằng một đĩa thuỷ tinh Nếu vì lý do nào đó, áp suất trong thùng tăng lên đột ngột, đĩa thuỷ tinh sẽ vỡ, dầu theo đó thoát ra ngoài để MBA không bị hỏng

+ Lỗ nhỏ đặt nhiệt kế

+ Rơle hơi dùng để bảo vệ MBA

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

Hình 1.3 Dây quấn Máy biến áp

Để hiểu rõ hơn về MBA ta xem hinh dáng bên ngoài MBA ba pha hai dây quấn công suất 250kVA, điện áp 22/0.4kV của nhà máy chế tạo Thiết Bị Điện (hình 1.5)

Hình 1.5 MBA dầu ba pha, hai dây quấn

1.1.3 Nguyên lý làm việc cơ bản

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

1 Cuộn dây không có điện trở

2 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

Hình 1.4 Máy biến áp dầu ba pha 16000kVA/110kV

1 móc vận chuyển; 2 Sứ cao áp 110kV; 4 Sứ trung áp 38.5kV; 5 Sứ hạ áp 10.5kV; 7 Ông phòng nổ;

8 Bình giãn dầu; 10 Thước chỉ dầu; 12 Xà ép gông; 13 Bình hút ẩm; 16 Dây quấn cao áp; 18 Bộ lọc

3 Độ từ thẩm của thép rất lớn (μ = ∞), như vậy dòng từ hoá cần phải có để sinh ra

từ thông trong lõi thép là rất nhỏ không đáng kể, do vậy stđ cần để sinh ra từ thông trong lõi thép cho bằng không

Nguyên lý làm việc của MBA:

Hình 1.6 vẽ sơ đồ nguyên lý của MBA một pha hai dây quấn Dây quấn 1 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, trong dây quấn sơ sẽ có

dòng i1 Trong lõi thép sẽ có từ thông

Φ móc vòng với cả hai dây quấn sơ

cấp và thứ cấp, cảm ứng ra các sđđ

e1 và e2 Khi MBA có tải, trong dây

quấn thứ sẽ có dòng điện i2 đưa ra tải

với điện áp là u2 Từ thông Φ móc vòng với cả hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp gọi là từ thông chính

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

2 cos

sin

1 1

1 1

N dt

d N

) 2 sin(

2 cos

sin

2 2

2 2

N dt

d N

Gọi K là tỉ số biến áp của MBA thì:

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý của MBA một pha hai dây quấn

2 1 2

1

N

N E

E

Nếu giả thiết MBA đã cho là lý tưởng, nghĩa là bỏ qua sụt áp gây ra do điện trở và

từ thông tản của dây quấn thì E1 ≈ U1 và E2 ≈ U2:

K N

N E

E U

Nếu bỏ qua tổn hao trong MBA thì công suất S1 = S2 hay ta có:

U1I1 = U2I2 Như vậy, ta có:

K I

I U

U



 1 2 2

Nếu N2 > N1 thì U2 > U1 và I2 < I1: MBA tăng áp

Nếu N2 < N1 thì U2 < U1 và I2 > I1: MBA giảm áp

1.2 Tổ nối dây và mạch từ của máy biến áp

1.2.1 Tổ nối dây của máy biến áp

a Khái niệm chung

Để MBA ba pha có thể làm việc được, các dây quấn sơ cấp và thứ cấp phải nối với nhau theo một qui luật 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 nối dây quấn khác nhau Hơn nữa, khi thiết kế MBA, việc quyết định tổ nối dây quấn cũng phải thích ứng với kiếu kết cấu của mạch từ để tránh những hiện tượng không tốt như sđđ 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 hoá lõi thép và nêu lên cách tính toán mạch từ của MBA

Để nghiên cứu tổ nối dây MBA, trước hết ta hãy xét ký hiệu các đầu dây và cách đấu dây quấn pha với nhau

Cách ký hiệu các đầu dây

Một cuộn dây có hai đầu tận cùng: một đầu gọi là đầu đầu; còn đầu kia gọi là đầu cuối Đối với dây quấn MBA một pha: đầu đầu hoặc đầu cuối chọn tùy ý Đối với dây quấn MBA ba pha: các đầu đầu và đầu cuối chọn một cách thống nhất theo một chiều nhất định (hình 1.7), nếu không điện áp ra của ba pha sẽ không đối xứng (hình 1.8)

Để đơn giản và thuận tiện cho việc nghiên cứu, người ta thường đánh dấu các đầu tận cùng lên sơ đồ dây quấn của MBA với qui ước sau dây:

Đánh dấu các đầu dây tận cùng:

Cao áp Hạ áp Trung áp Đầu đầu A,B,C A,b,c A

Các kiểu đấu dây quấn

1 Đấu hình sao (Y): Đấu ba điểm cuối X,Y,Z lại với nhau (hình 1.10)

Hình 1.7 Đánh dấu đầu dây MBA Hình 1.8 Biểu diễn dạng vécto

Hình 1.10 Đấu hình sao Hình 1.9 Đấu tam giác

2 Đấu hình tam giác(Δ):

Đấu điểm đầu của pha này với điểm cuối của pha kia (hình 1.9)

3 Đấu zíc-zắc (Z): Mỗi pha dây quấn MBA gồm hai nửa cuộn dây trên hai trụ khác nhau mắc nối tiếp và đấu ngược chiều nhau (hình 1.11) Kiểu dây quấn này ít dùng vì tốn đồng nhiều hơn, loại này chủ yếu gặp trong MBA dùng cho thiết chỉnh lưu

b Tổ nối dây của MBA

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

+ Chiều quấn dây,

+ Cách ký hiệu các dầu dây ra,

+ Kiểu dấu dây quấn sơ cấp và thứ cấp

Xét MBA một pha có hai dây quấn (hình 1.12): sơ cấp: AX; thứ cấp: ax

Các trường hợp xảy ra như sau:

a) Hai dây quấn cùng chiều và kí hiệu tương ứng (hình 1.12a)

b) Hai dây quấn ngược chiều (hình 1.12b)

c) Đổi chiều kí hiệu một trong hai dây quấn (hình 1.12c)

Tổ nối dây của MBA một pha: kể từ vector sđđ sơ cấp đến vector sđđ thứ cấp theo chiều kim đồng hồ:

+ Trường hợp a: lệch pha 360o

Hình 1.11 Đấu Zic- Zắc

+ Trường hợp b, c: lệch pha 180o

Tổ nối dây của MBA ba pha: Ở MBA ba pha, do nối Y & Δ với những thứ tự khác nhau mà góc lệch pha giữa sđđ dây sơ cấp và sđđ dây thứ cấp là 30o, 60o, 90o, , 360o Thực tế không dùng độ để chỉ góc lệch pha mà dùng kim đồng hồ (hình 1.13) để biểu thị và gọi tên tổ nối dây MBA, cách biểu thị như sau:

+ Kim dài cố định ở con số 12, chỉ sđđ sơ cấp

+ Kim ngắn chỉ 1,2, , 12 ứng 30o,60o, ,360o chỉ sđđ thứ

cấp

Trường hợp MBA một pha:

+ Trường hợp a: đặt tên là I/I-12

+ Trường hợp b,c: đặt tên là I/I-6

Trường hợp MBA ba pha:

+ MBA ba pha nối Y/Y:

Hình 1.12 Sự lệch pha của MBA một pha

Hình 1.13 Biểu thị góc lệch pha

Hình 1.14 Tìm tổ nối dây

Ví dụ một MBA ba pha có dây quấn sơ và dây quấn thứ nối hình sao, cùng chiều quấn dây và cùng ký hiệu các đầu dây (hình 1.14) thì vector sđđ pha giữa hai dây quấn hoàn toàn trùng nhau và góc lệch pha giữa hai điện áp dây sẽ bằng 360o hay 0o Ta nói MBA thuộc tổ nối dây 12 và ký hiệu là Y/Y-12 hay Y/Y-0 Để nguyên dây quấn sơ, dịch ký hiệu dây quấn thứ a→b, b→c, c→a ta có tổ đấu dây Y/Y-4, dịch tiếp một lần nữa ta có tổ đấu dây Y/Y-8 Nếu đổi chiều dây quấn thứ cấp ta có tổ đấu dây Y/Y-6,10,2 Như vậy MBA khi nối Y/Y, ta có tổ nối dây là số chẵn

+ MBA ba pha nối Y/Δ:

Ví dụ cũng MBA ba pha có dây quấn sơ nối hình sao và dây quấn thứ nối hình tam giác, cùng chiều quấn dây và cùng ký hiệu các đầu dây (hình 1.15) thì vector sđđ pha giữa hai dây quấn hoàn toàn trùng nhau và góc lệch pha giữa hai điện áp dây sẽ bằng

330o

Ta nói MBA thuộc tổ nối dây 11 và ký hiệu là Y/Δ-11 Để nguyên dây quấn sơ,

dịch kí hiệu dây quấn thứ a→ b, b→ c, c→ a thì ta có tổ đấu dây Y/Δ-3, dịch tiếp một lần nữa ta có tổ đấu dây Y/Δ-7 Nếu đổi chiều dây quấn thứ ta có tổ đấu dây Y/Δ-5,9,1 Như vậy MBA khi nối Y/Δ, ta có tổ nối dây là số lẻ

1.2.2.Mạch từ của máy biến áp

1 Máy biến áp một pha

+ Mạch từ kiểu lõi

+ Mạch từ kiểu bọc

2 Máy biến áp ba pha

Hình 1.15 Tìm tổ nối dây MBA nối Y/

Hình 1.16 Tổ MBA ba

1.3 Các quan hệ điện từ trong máy biến áp

1.3.1 Các phương trình cơ bản

Để thấy rõ quá trình năng lượng trong MBA, ta hãy xét các quan hệ điện từ trong trường hợp này

a.Phương trình cân bằng điện áp (sđđ)

Trên hình 1.17 trình bày MBA một pha hai dây quấn, trong đó dây quấn sơ cấp nối với nguồn, có số vòng N

1, dây quấn thứ cấp nối với tải có tổng trở Zt có số vòng N2 Khi nối điện áp u

1 vào dây quấn sơ cấp, trong dây quấn sơ cấp có dòng điện i

1 chạy qua Nếu phía thứ cấp có tải thì trong dây quấn thứ cấp sẽ có dòng điện i

2 chạy qua Các dòng điện i

dt

d dt

d N

1 1

d N

2 2

di L dt

d dt

d N

t

1 1 1 1

d dt

d N

t

2 2 2

2 1

2        

trong đó: L

t1 và L

t2 là điện cảm tản của dây quấn sơ cấp và thứ cấp

Biễu diễn dưới dạng phức số:

t2 là điện kháng tản của dây quấn thứ cấp

*.Phương trình cân bằng điện áp dây quấn sơ cấp:

Xét mạch điện sơ cấp gồm nguồn điện áp u

1, sức điện động e

1, sđđ tản của dây quấn sơ cấp e

t1, điện trở dây quấn sơ cấp r

1 Áp dụng định luật Kirchhoff 2 cho mạch điện dây quấn sơ cấp ta có phương trình điện áp sơ cấp viết dưới dạng trị số tức thời là:

u1 e1e t1r i1

(1.14a) Biểu diễn (1.14a) dưới dạng số phức:

Mạch điện thứ cấp gồm sức điện động e

2, sức điện động tản dây quấn thứ cấp e

t2, điện trở dây quấn thứ cấp r

2, điện áp ở hai đầu của dây quấn thứ cấp là u

2 Áp dụng định luật Kirchhoff 2 ta có phương trình điện áp thứ cấp viết dưới dạng trị số tức thời là:

Mặt khác ta có:

2 2



Z I

b.Phương trình cân bằng dòng điện

Định luật Ohm áp dụng vào mạch từ (hình 3.1) cho ta:

Tóm lại, mô hình toán của MBA như sau:

1.3.2 Mạch điện thay thế, đồ thị vecto của máy biến áp

Để đặc trưng và tính toán các quá trình năng lượng xảy ra trong MBA, người ta thay mạch điện và mạch từ của MBA bằng một mạch điện tương đương gồm các điện

trở và điện kháng đặc trưng cho MBA gọi là mạch điện thay thế MBA

Trên hình 1.18 trình bày MBA mà tổn hao trong dây quấn và từ thông tản được đặc trưng bằng điện trở R và điện cảm L mắc nối tiếp với dây quấn sơ và thứ cấp Để có thể nối trực tiếp mạch sơ cấp và thứ cấp với nhau thành một mạch điện, các dây quấn

sơ cấp và thứ cấp phải 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 quấn thứ cấp về dây quấn sơ cấp, nghĩa là coi dây quấn thứ cấp có số vòng dây bằng số vòng dây của dây quấn sơ cấp Việc qui đổi chỉ để thuận tiện cho việc nghiên cứu và tính toán MBA, vì vậy yêu cầu của việc qui đổi là quá trình vật lý và năng lượng xảy ra trong máy MBA trước và sau khi qui đổi là không đổi

Qui đổi các đại lượng thứ cấp về sơ cấp

Nhân phương trình (1.23b) với k, ta có:

k

I Z k k

I Z k E k U

Hình 1.18 MBA không từ thông tản và tổn hao trong dây quấn

t t t t t

E ,

 ' 2

U ,

 ' 2

I , ' 2

a Mạch điện thay thế chính xác của MBA

Dựa vào hệ phương trình qui đổi (1.30a,b,c) ta suy ra một mạch điện tương ứng gọi là mạch điện thay thế của MBA như trình bày trên hình 1.18

Xét phương trình (1.30a), vế phải phương trình có 1 1

0 0

I r

x

m là điện kháng từ hóa đặc trưng cho từ thông chính Φ

b Mạch điện thay thế gần đúng của MBA

Trên thực tế thường tổng trở nhánh từ hóa rất lớn (Z

m >> Z

1 và Z’

2), do đó trong nhiều trường hợp có thể bỏ qua nhánh từ hóa (Z

m = ∞ coi như hở mạch) và thành lập lại sơ đồ thay thế gần đúng trình bày trên hình 1.19a

Khi bỏ qua tổng trở nhánh từ hóa, ta có:

n = x

1 + x’

2 là điện kháng ngắn mạch của MBA

Trong MBA thường r

n << x

n, nên có thể bỏ qua điện trở ngắn mạch (r

n = 0) Trong trường hợp này mạch điện thay thế MBA trình bày trên hình 1.19b

c Đồ thị vectơ của máy biến áp

Vẽ đồ thị vectơ của MBA nhằm mục đích thấy rõ quan hệ về trị số và góc lệch pha giữa các đại lượng vật lý  , 



U, I trong MBA, đồng thời để thấy rõ được sự thay đổi các đại lượng vật lý đó ở các chế độ làm việc khác nhau

Hình 1.21a là đồ thị vectơ MBA trong trường hợp phụ tải có tính chất điện cảm

Đồ thị vectơ được vẽ dựa vào các phương trình cân bằng điện áp và stđ của MBA Cách vẽ đồ thị vectơ như sau:

+ Đặt vectơ từ thông m



 theo chiều dương trục hoành

+ Vẽ vectơ dòng điện không tải



I ,vượt trước m



 góc α (vì mạch từ có tính cảm)

+ Vẽ các vectơ sđđ 1



E và

 ' 2

I chậm sau một góc ψ

2

' ' 2

' ' 2 2

t

t

r r

x x arctg



I cộng với vectơ dòng điện ( 2')



 I + Vẽ các vectơ khác dựa vào các phương trình cân bằng (1.30a,b)

Đồ thị vectơ MBA khi phụ tải có tính dung

vẽ tương tự, nhưng dòng điện

 ' 2

I vượt trước

 ' 2

E

một góc 2 (hình 1.21b)

Đồ thị vectơ đơn giản MBA

Trong sơ đồ thay thế gần đúng (hình 1.20a),

Ta vẽ được đồ thị vector tương ứng khi phụ tải có tính cảm như hình 1.21a

1.3.3 Cách xác định tham số của máy biến áp

1.Thí nghiệm không tải MBA

Chế độ không tải MBA là chế độ mà thứ cấp hở mạch (I

2 = 0), còn sơ cấp được cung cấp bởi một điện áp U

m là điện kháng không của tải MBA;

Để xác định hệ số biến áp k, tổn hao sắt từ trong lõi thép

p

Fe, và các thông số của MBA ở chế độ không tải, ta thí

nghiệm không tải Sơ đồ nối dây để thí nghiệm không tải như

0 là dòng điện không tải; còn vôn kế nối phía sơ cấp và thứ cấp lần lược đo U

1đm và U

20 là điện áp sơ cấp và thứ cấp

Hình 1.23 a) Sơ đồ thay thế MBA khi không tải Hình 1.23 b)Sơ đồ thí nghiệm không tải

Hình 1.24 Đồ thị vectơ của MBA không tải

Từ các số liệu đo được, ta tính:

a) Tỉ số biến áp k:

20 1 2

1

U

U E

0 1

0

I

P r r

d) Tổn hao không tải

Từ mạch điện thay thế hình 1.23, ta thấy tổn hao không tải là tổn hao đồng trên dây quấn sơ và tổn hao sắt trong lõi thép Như vậy tổn hao không tải:

Fe do từ trễ và dòng điện xoáy trong lõi thép gây nên

Vì điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp không đổi, nên từ thông Φ, cảm ứng từ B cũng không đổi, nghĩa là tổn hao sắt, tức tổn hao không tải là không đổi

e) Hệ số công suất không tải

0 1

0 0

cos

I U

0  90

 , nghĩa là hệ số công suất lúc không tải rất thấp, thường cosϕ

o ≤ 0,1 Điều này

có ý nghĩa thực tế rất lớn là không nên để MBA làm việc không tải hoặc non tải, vì lúc

đó sẽ làm xấu hệ số công suất của lưới điện

Khi m.b.a ngắn mạch U

2 = 0, mạch điện thay thế m.b.a vẽ trên hình 1.25 Dòng điện sơ cấp là dòng điện ngắn mạch I

n Phương trình điện áp của MBA ngắn mạch:

n n n n

n r jx I Z I

100

100 100

đm đm

đm n đm đm

đm n

đm n

U I

U

I Z I

I

I Z

U

Hình 1.25.a) Mạch điện thay thế

m.b.a khi ngắn mạch Hình 1.25 b) Sơ đồ thí nghiệm ngắn mạch

Do tổng trở ngắn mạch rất nhỏ nên dòng điện ngắn mạch rất lớn khoảng bằng (10

n Lúc đó các dụng cụ đo cho ta các số liệu sau: Vôn kế chỉ U

n là điện áp ngắn mạch; oát kế chỉ P

I

U Z

1

+ Điện trở ngắn mạch:

2 1

' 2 1

đm

n n

I

P r r

+ Điện kháng ngắn mạch:

2 2 '

' 2 1

n

n

x x x

r r r

và điện trở và điện kháng tản của dây quấn thứ cấp:

2

' 2 2 2

' 2

k

x x k

r

c) Hệ số công suất ngắn mạch

n n đm đm

n n

Z

r I

d) Điện áp ngắn mạch

Điện áp ngắn mạch phần trăm:

% 100

% 100

%

1 1

1

đm n đm

đm n n

U

U U

I Z

đm nr đm

đm n

U

U U

I r

u % 100 % 100 % % cos

1 1

+ Điện áp ngắn mạch phản kháng phần trăm:

n n

đm nx đm

đm n

U

U U

I x

u % 100 % 100 % % sin

1 1

Điện áp ngắn mạch tác dụng cũng có thể tính:

100 100

100

%

đm n đm

đm đm

đm n đm

nr nr

S

P I

I U

I r U

U

CHƯƠNG 2: MÁY BIẾN ÁP LÀM VIỆC Ở TẢI XÁC LẬP ĐỐI XỨNG

VÀ CÁC DẠNG ĐẶC BIỆT

2.1 Máy biến áp làm việc ở tải xác lập đối xứng

2.1.1 Giản đồ năng lượng

Trong quá trình truyền tải năng lượng qua MBA, một phần công suất tác dụng và phản kháng bị tiêu hao trong máy Xét MBA làm việc ở tải đối xứng, sự cân bằng năng

lượng dựa trên sơ đồ thay thế chính xác hình

Một phần công suất này bù vào:

• Tổn hao đồng trên điện trở của dây quấn sơ: p

Công suất ở đầu ra P

2 của MBA sẽ nhỏ hơn công suất điện từ một lượng chính bằng tổn hao đồng trên điện trở của dây quấn thứ: p

Hình 1.26 Sơ đồ thay thế máy biến áp

Hình 1.27 Giản đồ năng lượng MBA

Công suất này trừ đi công suất để tạo ra từ trường tản ở dây quấn sơ cấp q

1= m

Tải có tính chất điện dung (ϕ

2 < 0) thì Q

2 < 0, nếu Q

1 < 0, công suất phản kháng truyền từ dây quấn thứ sang dây quấn sơ hoặc Q

1 > 0, toàn bộ công suất phản kháng từ phía thứ cấp và sơ cấp đều dùng để từ hoá MBA

Sự cân bằng công suất tác dụng và phản kháng trình bày trên hình 1.27

2.1.2 Độ thay đổi điện áp và cách điều chỉnh

2.1.3 Hiệu suất của MBA

Hiệu suất của MBA là tỉ số giữa công suất đầu ra P

2 và công suất đầu vào P

Hiệu suất MBA nhỏ hơn 1 vì quá trình truyền tải công suất qua MBA có tổn hao đồng và tổn hao sắt Ngoài ra còn kể đến tổn hao do dòng điện xoáy trên vách thùng dầu và bu lông lắp ghép

Như vậy biểu thức (4.11), có thể viết lại:

%100)

1(

2.1.4 Máy biến áp làm việc song song

Máy biến áp làm việc song song là hệ thống gồm hai hay nhiều máy biến áp giống nhau có dây quấn cao áp cùng nối vào một nguồn điện, còn dây quấn hạ áp của chúng được nối chung vào một nguồn điện khác

Do yêu cầu phải truyền tải một lượng điện năng lớn, cũng như đảm bảo điều kiện kinh tế, kỹ thuật, giảm mức tổn hao không tải, đảm bảo tính liên tục trong cung cấp điện, người ta thường dùng nhiều MBA làm việc song song

Để đảm bảo các MBA làm việc song song hoạt động bình thường yêu cầu giá trị tức thời của điện áp sơ cấp phải bằng nhau và giá trị tức thời của điện áp thứ cấp phải bằng nhau Muốn vậy các MBA phải đảm bảo các điều kiện sau:

Hình 1.29 Sơ đồ nguyên lý nối song song các máy biến áp

Trên hình 1.29 là sơ đồ nguyên lý chung nối song song 3 máy biến áp, hướng truyền tải từ nguồn điện → MBA → A, B, C → theo chiều mũi tên tới một hệ thống điện chung, giữa các máy biến áp có các cầu dao phân đoạn, sau khi kiểm tra các máy

làm việc độc lập đảm bảo các thông số kỹ thuật giống nhau, lúc đó sẽ đóng các phân đoạn K1, K2.

Các điều kiện để MBA làm việc song song

a.MBA phải cùng tổ nối dây

Nếu các MBA làm việc song song có cùng tổ nối dây thì điện áp thứ cấp sẽ trùng pha Ngược lại, nếu tổ nối dây khác nhau thì giữa các điện áp thứ cấp của mỗi MBA sẽ

có góc lệch pha nhau Sẽ tạo nên sự liên thông (liên mạch) giữa các dây quấn thứ cấp qua lưới làm một sức điện động mới xuất hiện

Ví dụ: Nếu MBA1 có tổ dây Y/-11 còn MBA2 có tổ nối dây Y/Yo -12, vì vậy điện áp thứ cấp của 2 MBA sẽ lệch pha nhau 300 và trong mạch nối liền 2 dây quấn thứ cấp sẽ xuất hiện một sức điện động là:

E = 2Esin = 2Esin150 = 0,518E2

Kết quả là ngay khi không tải trên các cuộn dây sơ thứ của MBA sẽ có dòng điện chạy qua nhau đó là

Dòng cân bằng:

ngII ngI

518 , 0

b Trị hiệu dụng điện áp sơ cấp và thứ cấp các MBA phải bằng nhau

Nếu điện áp sơ cấp và thứ cấp bằng nhau thì khi làm việc song song với nhau qua lưới điện áp thứ cấp lúc không tải của 2 MBA bằng nhau và trong mạch nối liền của dây quấn thứ cấp MBA sẽ không có dòng điện cân bằng chạy qua nhau Ngược lại nếu điện

áp sơ cấp và thứ cấp của 2 MBA khác nhau (E2I ≠ E2II) sẽ dẫn đến khi không tải trong dây quấn thứ cấp của MBA đã có dòng điện cân bằng sinh ra do E = E2I – E2II > 0 và sinh ra dòng điện cân bằng chạy trong dây quấn của MBA theo chiều ngược lại

Ví dụ: MBA1: Đi từ A X MBA2: Đi từ X A và chậm pha sau E một góc

Vì trong dây quấn có điện kháng X >> điện trở Rdq, nên dòng điện cân bằng sinh ra điện áp rơi trên dây quấn MBA và sẽ bù trừ với các điện áp thứ cấp của hai máy và tạo nên điện áp tổng chung

Khi có tải dòng điện cân bằng sẽ cộng vào dòng điện tải làm cho hệ số tải, đáng

lẽ ra bằng nhau thì trở thành khác nhau, gây ảnh hưởng xấu đến sự khai thác tối đa công suất của máy

c Trị số điện áp ngắn mạch phần trăm (%) bằng nhau

UnI %= UnII% Trị số điện áp ngắn mạch có liên quan dến sự phân phối tải giữa các MBA làm việc song song hoặc nói cách khác điện áp ngắn mạch hoàn toàn phụ thuộc vào điện kháng ngắn mạch Tốt nhất là các MBA làm việc song song cần phải có thêm điều kiện có trị số điện áp ngắn mạch phần trăm bằng nhau

Giả sử UnI% < UnII% thì khi máy I nhận tải định mức, máy II còn non tải Thật vậy, ở trường hợp này, dòng điện máy I đạt định mức IIđm, điện áp rơi trong máy I là

IIđmZnI, dòng điện máy II là III, điện áp rơi trong máy II là IIIđmZnII Vì hai máy làm việc song song, điện áp rơi trong hai máy phải bằng nhau, ta có:

IIđmZnI = IIIđmZnII

Ở đây ZnI, ZnII là tổng trở ngắn mạch máy I và II Vì theo giả sử trên có: UnI% <

UnII% do đó:

IIđmZnI < IIIđmZnII

So sánh hai điều kiện trên ta có:

IIIZnII < IIIđmZnII hoặc III < IIIđmDòng điện máy II nhỏ hơn định mức, vậy máy II đang non tải, trong khi máy I đã định mức Nếu cho máy II tải định mức thì máy I sẽ quá tải

2.2 Các loại máy biến áp đặc biệt

2.2.1 Máy biến áp nhiều dây quấn

MBA ba dây quấn là MBA có một dây quấn sơ và hai dây quấn thứ, dùng để cung cấp điện cho các lưới điện có điện áp khác nhau, ứng với các tỉ số biến đổi:

3 1 3

1 13 2

1 2

1

W

W U

U k W

W U

U

Ưu điểm của MBA ba dây quấn so với MBA hai dây quấn:

- Giá thành sản xuất rẻ hơn MBA hai dây quấn

- Mặt bằng chiếm chỗ bé hơn

- Liên tục truyền tải năng lượng từ dây quấn sơ sang hai dây quấn thứ hoặc truyền từ dây quấn thứ này sang dây quấn thứ khác

- Tổn thất năng lượng bé hơn MBA 2 dây quấn khoảng chừng hai lần

Khuyết điểm của MBA ba dây quấn so với MBA hai dây quấn:

- Độ tin cậy của MBA 3 dây quấn bé hơn MBA 2 dây quấn vì

- Việc bố trí đầu ra của MBA 3 dây quấn phức tạp hơn MBA 2 dây quấn

Cũng như máy biến áp hia dây quấn, người ta chế tạo mát biến áp ba dây quấn theo kiểu tổ máy biến áp ba pha hoặc máy biến áp ba pha ba trụ, ở mỗi pha đặt ba dây quấn như hình 1.30 Tiêu chuẩn tổ nối dây MBA 3 dây quấn Y

0/Y

0/Δ-12-11 và tổ MBA 3 pha hay MBA 3 pha ba trụ Y

(1 2/3 1)

Phương trình cơ bản, sơ đồ thay thế, đồ thị vectơ của MBA 3 dây quấn

Quá trình điện từ trong MBA 3 dây quấn được mô tả mhư MBA 2 dây quấn, tất cả các đại lượng của hai dây quấn thứ 2, 3 quy đổi về số vòng của dây quấn sơ:

3

1 3 ' 3 2

1 2 ' 2 1

3 3 ' 3 1

2 2 '

W

W U U W

W U U W

W I I W

W I

Cũng như MBA 2 dây quấn, dòng từ hóa MBA 3dây quấn rất nhỏ được xác định:

0

0 ' 3 ' 2

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

1 1 1 1 1 1 1 1

I Z E I r E E U

I Z E I r E E U

I Z E I r E E U

m tìm được bằng tính toán hoặc thí nghiệm

Hình 1.31 Sơ đồ thay thế MBA 3 dây quấn

' 3 ' 2 23

13 13

' 3 1 13

12 12

' 2 1 12

n n

n

n n

n

n n

n

jx r Z Z Z

jx r Z Z Z

jx r Z Z Z

Giải hệ phương trình ta tìm được: Z

1, Z’2, Z’3

Hình 1.32 Sơ đồ và mạch điện thay thế khi thí nghiệm ngắn mạch MBA ba dây quấn

Hình 1.33 Đồ thị vectơ MBA 3 dây quấn

)(

21

)(

21

12 23 13 '

3

13 23 12 '

2

23 13 12 1

n n n

n n n

n n n

Z Z Z Z

Z Z Z Z

Z Z Z Z

Từ đồ thị vectơ của MBA ba dây quấn (hình 1.33), ta thấy U’

2 không những phụ thuộc vào I’

2 mà còn phụ thuộc vào I’

3 Và U’

3 không những phụ thuộc vào I’

3 mà còn phụ thuộc vào I’

2

Để giảm ảnh hưởng này ta cần giảm tổng trở Z

1 bằng cách đặt cuộn dây 1 vào giữa

Cuộn dây sơ cấp nối với nguồn điện, cuộn dây thứ cấp một đầu nối với cuộn điện kháng 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 áp hàn thường là 60.70V Khi dí que hàn vào tấm kim loại,

sẽ có dòng điện lớn chạy qua làm nóng chỗ tiếp xúc Khi nhấc que hàn cách tấm kim lọai một khoảng nhỏ, vì cường độ điện trường lớn làm ion hóa 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 máy biến áp hàn

hoặc thay đổi điện kháng

ngoài bằng cách thay đổi khe hở không khí của lõi thép K

2.2.3 Máy biến áp tự ngẫu

Hình 1.34 Sơ đồ máy biến áp hàn hồ quang

MBA tự ngẫu là loại MBA mà ở đó ngoài sự liên hệ về từ còn có sự liên hệ trực tiếp với nhau về điện giữa dây quấn sơ cấp và dây quấn thứ cấp

Hình 1.35 trình bày hai kiểu nối dây của MBA tự ngẫu: Nối thuận hình 1.35a và ngược 1.35b

Ta thấy công suất truyền tải của MBA tự ngẫu gồm hai thành phần:

1 Truyền qua nhờ từ trường trong lõi thép

I E

E U

Tỉ số biến đổi địên áp của lưới điện:

k I

I U

U

CA HA HA

Xét trường hợp nối thuận (hình a):

k I

U

I U U I

U

I E S

S

CA CA

CA HA CA CA

CA ttai

1 ) (

1 1 ( ) (

2

k I

U

I U U I

U

I E S

S

CA CA

HA HA CA CA

CA ttai

Như vậy kiểu nối thuận có lợi hơn nên được dùng trong thực tế

Công dụng của MBA TN:

1 MBA tự ngẫu dùng để liên lạc giữa các hệ thống điện có các cấp điện áp khác nhau trong hệ thống điện như: 110-220; 220-500; 330-750 kV

2 MBA tự ngẫu dùng để mở máy các động cơ không đồng bộ công suất lớn

3 MBA tự ngẫu dùng rộng rãi làm nguồn cho các thiết bị điện sinh hoạt

4 MBA tự ngẫu dùng ở các phòng thí nghiệm để thay đổi điện áp liên tục

Ưu nhược điểm của MBA tự ngẫu:

• Ưu điểm:

1 MBA tự ngẫu chế tạo rẻ hơn MBA 2 dây quấn cùng công suất

2 Lúc vận hành tổn hao trong MBA tự ngẫu cũng nhỏ hơn:

)

1 1 (

k S

p S

p

tkê ttai



 

 , nghĩa là tổn hao chỉ còn 1)

1 (

3 MBA tự ngẫu yêu cầu cách điện cao hơn MBA thường

2.2.4 Máy biến áp đo lường

a Máy biến điện áp

Máy biến điện áp (hình 1.36a) dùng để biến điện áp cao thành điện áp nhỏ để đo lường và điều khiển Công suất máy biến điện áp 25 ÷ 1000VA

Hình 1.35 Sơ đồ của MBA tự ngẫu một pha

Máy biến điện áp có dây quấn sơ nối với lưới điện và dây quấn thứ nối với Vôn mét, cuộn dây áp của Watt kế, cuộn dây của các rơle bảo vệ, hoặc các thiếc bị điều khiển khác (hình 1.36b) Các loại dụng cụ này có tổng trở Z rất lớn nên máy biến điện

áp xem như làm việc ở chế độ không tải, do đó sai số về trị số nhỏ và bằng:

100

%

1

1 2

1 2

U

U W

W U U

b.Máy biến dòng điện

Máy biến dòng điện dùng để biến dòng điện lớn thành dòng điện nhỏ để đo lường bằng các dụng cụ đo tiêu chuẩn và điều khiển

Công suất Máy biến dòng điện: 5÷100VA

Máy biến dòng điện (hình 7.7a) có dây quấn sơ gồm ít vòng dây mắc nối tiếp với mạch cần đo dòng và dây quấn thứ gồm nhiều vòng dây nối với ampe mét, cuộn dây dòng của Watt mét, cuộn dây của các rơle bảo vệ, hoặc các thiếc bị điều khiển khác (hình 1.37b) Các loại dụng cụ này có tổng trở Z rất bé nên máy biến dòng điện làm việc ở trạng thái ngắn mạch, khi đó lõi thép máy biến dòng điện không bão hòa và Φ = (0.8 ÷ 1)Wb, do đó sai số đo lường về trị số nhỏ và bằng:

Hình 1.36 Máy biến điện áp

%

1

1 1

2 2

I

I W

W I i

Hình 1.37 Máy biến dòng điện

PHẦN II: MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ

CHƯƠNG 1: QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG

Dây quấn stator

Dây quấn stator thường được làm bằng dây đồng có bọc cách điện và đặt trong các rãnh của lõi thép Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong dây quấn ba pha stator

sẽ tạo nên từ trường quay

Vỏ máy

Hình 2.1 Cấu tạo của động cơ điện không đồng bộ

1 Lõi thép stato;2 Dây quấn stato; 7 Nắp máy; ; 4 Ổ bi; 5 Trục máy; 6.Hộp dầu cực; 7 Lõi thép rôto;

8 Thân máy; 9 Quạt gió làm mát; 10 Hộp quạt