BÀI GIẢNG máy điện

Hoặc thiết bị biến đổi các thông số của mạch điện như: - Biến đổi điện áp: gọi là MBA - Biến đổi dòng điện gọi là máy biến dòng - Biến đổi tần số gọi là máy biến tần - Biến đổi số pha gọ

Trang 1

BÀI GIẢNG

MÁY ĐIỆN

ThS Phan Thị Hồng Phượng

Trang 2

Dây quấn máy điện xoay chiều 1 pha

• Dây quấn 2 pha đặt lệch nhau trong không gian 1 góc 90 độ điện.

• Ví dụ: Vẽ sơ đồ dây quấn máy điện xoay

chiều 1 pha có các thông số:

Z = 16 rãnh, 2p = 4, số pha dây quấn m=2

Bước tương đối  = ¾, quấn rãi dưới các

cực từ.

Trang 3

Tính các thông số của bộ dây quấn:

-Bước cực  = 4 rãnh

-Bước dây y =   = 3 rãnh

-Số rãnh 1 pha dưới 1 cực từ: q = 2 rãnh -Góc điện giữa 2 rãnh liên tiếp: =45 độ

Trang 4

THÔNG TIN HỌC PHẦN

Khối lượng: 3 tín chỉ (45 TIẾT)

Giờ lý thuyết: 37 tiết

Giờ bài tập và thảo luận: 8 tiết

Sinh viên tự học: 60 tiết

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Charles I Hubert P.E., Electric Machines - Theory, Operation, Applications, Adjustment and Control, Prentice Hall, 2002.

[2] B.C SEN, Principles of electric machines and power electronics, John Wiley & Son 1997

[3] Mulukutla S Sarma, Electric Machines, PWS Publishing Company, 1996

[4] Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu Máy điện 1, 2 NXB Khoa học kỹ thuật 1997, 1998, 2001, 2003, 2005, 2006 [5] Nguyễn Thế Sang, Nguyễn Trọng Thắng Máy điện và Mạch điều khiển NXB Thống kê 2003.

Trang 5

Chương mở đầu KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN

I Khái niệm và phân loại Máy điện

1 Khái niệm

Máy điện là thiết bị điện từ, làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện

từ, dùng để biến đổi năng lượng điện cơ

- Thiết bị biến điện năng thành cơ năng gọi là động cơ điện

- Thiết bị biến cơ năng thành điện năng gọi là máy phát điện.

Hoặc thiết bị biến đổi các thông số của mạch điện như:

- Biến đổi điện áp: gọi là MBA

- Biến đổi dòng điện gọi là máy biến dòng

- Biến đổi tần số gọi là máy biến tần

- Biến đổi số pha gọi là máy biến đổi số pha.

Trang 6

2 Phân loại

Trang 7

II Các định luật điện từ thường dùng để nghiên cứu máy điện

1 Định luật cảm ứng điện từ

Hình a Chiều dương sđđ cảm ứng theo qui tắc vặn nút chai;

b Chiều dương sđđ cảm ứng theo qui tắc bàn tay phải

Trường hợp từ thông biến thiên qua vòng dây:

e = -w.dΦ/dt = -dΨ/dt Với w là số vòng dây quấn

Trường hợp thanh dẫn có chiều dài l chuyển động trong từ trường có tốc độ v thì:

e = l.B.v

Trang 8

II Các định luật điện từ thường dùng để nghiên cứu máy điện

2 Định luật lực điện từ

i: dòng điện (A)B: từ cảm (T)

l: chiều dài (m)

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

Khi thanh dẫn mang dòng điện đặt thẳng góc với đường sức từ trường (thường gặp trong động cơ điện), thanh dẫn sẽ chịu tác dụng của lực từ:

Trang 9

III Sơ lược về các vật liệu chế tạo máy điện

Trang 10

1.1 KHÁI NIỆM CHUNG

1.1.2 Phân loại MBA

MBA điện lực để truyền tải và phân phối công suất trong hệ thống điện lực

MBA chuyên dùng sử dụng ở lò luyện kim, thiết bị chỉnh lưu, MBA hàn,…

MBA tự ngẫu dùng để liên lạc trong hệ thống điện, mở máy động cơ KĐB công suất lớn.MBA đo lường dùng để giảm điện áp và dòng điện lớn đo vào các dụng cụ đo tiêu

chuẩn

MBA thí nghiệm dùng để thí nghiệm điện áp cao

MBA 1 pha, 3 pha

MBA dầu, MBA khô

Trang 11

Phần 1 MÁY BIẾN ÁP

Chương 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY BIẾN ÁP

Cấu tạo MBA có 2 bộ phận chính: lõi thép và dây quấn.

1.2 Cấu tạo máy biến áp

Trang 12

Lõi thép gồm các lá thép ktđ ghép lại dùng để dẫn từ thông, gồm 2 phần:

- Trụ để đặt dây quấn

- Gông để khép kín mạch từ giữa các trụ

Dây quấn MBA để dẫn dòng điện, để nhận năng lượng vào và truyền năng lượng ra

Trang 14

1.3 Nguyên lý làm việc của máy biến áp

Trang 16

1.4 Các đại lượng định mức của MBA

- Điện áp dây sơ cấp định mức U1đm (V, kV): Là điện áp của dây quấn sơ cấp mà khi MBA làm việc lâu dài với tải định mức thì nhiệt độ của dây quấn không tăng quá nhiệt độ cho phép (V, kV)

- Điện áp dây thứ cấp định mức U2đm (V, kV): là điện áp đầu ra của dây quấn thứ cấp khi MBA không tải và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức

- Dòng điện dây định mức sơ cấp và thứ cấp I1đm, I2đm (A, kA): là dòng điện trong dây quấn sơ và thứ cấp tương ứng với công suất và điện áp định mức

+ Đối với MBA 1 pha:

Trang 17

1.5 Máy biến áp ba pha

- MBA ba pha gồm 3 MBA 1 pha ghép lại:

- MBA ba pha ba trụ:

- Kí hiệu đầu dây MBA 3 pha: pha

A kí hiệu là AX, pha B là BY, pha

C là CZ Dây quấn thứ cấp kí hiệu bằng các chữ thường: pha a là

ax, pha b là by, pha c là cz Đầu đầu là a, b, c; đầu cuối là x, y, z

Trang 18

Cách đấu dây MBA ba pha

Dây quấn sơ cấp và thứ cấp có thể nối hình sao Y hoặc hình tam giác : -

- Đấu hình sao (Y): Đấu 3 điểm cuối X, Y, Z lại với nhau.

- Đấu tam giác (∆): đấu điểm đầu của pha này với điểm cuối của pha kia

- Đấu ziczac (Z): Mỗi pha dây quấn MBA gồm 2 nửa cuộn dây trên 2 trụ khác nhau mắc nối tiếp và đấu ngược chiều nhau, kiểu dây quấn này ít dùng vì tốn đồng nhiều hơn, chủ yếu dùng trong MBA cho thiết bị chỉnh lưu.

c Đấu ziczac Z

b Đấu tam giác 

a Đấu sao Y

Trang 19

- Khi nối Y/Y:

Tỉ số biến áp pha giữa dây quấn sơ cấp và thứ cấp:

Trang 20

1.6 Tổ nối dây của máy biến áp

Tổ đấu dây của MBA được hình thành do sự phối hợp kiểu nối dây sơ cấp và kiểu nối dây thứ cấp Tổ nối dây biểu thị góc lệch pha giữa điện áp dây sơ cấp và điện

áp dây thứ cấp Sự lệch pha này phụ thuộc vào kiểu quấn dây sơ cấp và thứ cấp, phụ thuộc kí hiệu các đầu dây và chiều quấn dây

1 Tổ nối dây Máy biến áp 1 pha:

Trang 21

Với các kí hiệu đầu dây và cách đấu dây khác nhau thì điện áp dây sơ và thứ cấp MBA 3 pha lệch nhau một góc bằng bội số của 300 Thực tế người ta không dùng độ để biểu thị góc lệch pha mà dùng phương pháp kim đồng hồ để biểu thị góc lệch pha

Đặt vectơ điện áp dây sơ cấp trùng với vị

trí kim dài (kim phút) của đồng hồ ở vị trí số

12 Đặt vectơ điện áp dây thứ cấp trùng với

vị trí kim ngắn (kim giờ) ở một vị trí nào đó

trên mặt đồng hồ Góc tính từ kim dài đến

kim ngắn theo chiều quay kim đồng hồ là

góc lệch pha giữa điện áp dây sơ cấp và

điện áp dây thứ cấp

Trang 22

2 Tổ nối dây Máy biến áp 3 pha: U AB = U A - U B

Trang 23

Trang 25

Chương 2 QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MÁY BIẾN ÁP

2.1 Hiện tượng điện từ trong MBA

Trang 26

2.2 Các phương trình cân bằng điện và từ trong mba

- Phương trình cân bằng điện áp mạch sơ cấp:

k

  Gọi là dòng thứ cấp qui đổi

Trang 27

2.3 Mạch điện thay thế của MBA

- Xét MBA 1 pha 2 dây quấn:

- Để vẽ được sơ đồ thay thế, cần qui đổi các đại lượng thứ cấp về sơ cấp:

Điều kiện qui đổi là: Công suất trước và sau khi qui đổi phải không thay đổi

Suy ra các đại lượng

qui đổi :

Trang 28

Chương 2 QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MÁY BIẾN ÁP

Sơ đồ thay thế chính xác của MBA:

Sơ đồ thay thế gần đúng của MBA:

Trang 29

2.4 Xác định thông số của MBA bằng thí nghiệm không tải và ngắn mạch:

a Sơ đồ Thí nghiệm không tải máy biến áp:

- Dòng điện không tải:

Trang 30

b Đặc điểm và sơ đồ thí nghiệm ngắn mạch MBA:

n

UI

2 2

R R

k



' 2

2 2

X X

k



- Biết hê ̣ số MBA, tính được thông số thứ cấp chưa qui đổi:

dây quấn bị nối tắt qua tổng trở rất nhỏ

xem như bằng không,

làm dòng điện tăng lên đột ngột

- Hệ số ngắn mạch:

Ngắn mạch là gì?

Trang 31

Chương 3 MÁY BIẾN ÁP LÀM VIỆC VỚI TẢI ĐỐI XỨNG3.1 Giản đồ năng lượng và hiệu suất của MBA:

Hiê ̣u suất MBA là tỷ số giữa công suất đầu ra và công suất đầu vào:

Trang 32

3.1 Giản đồ năng lượng và hiệu suất của MBA:

Hiê ̣u suất MBA là tỷ số giữa công suất đầu ra và công suất đầu vào:

P2 là công suất tác dụng ở đầu ra:

Hệ số tải:

P0: Công suất đo được trong thí nghiệm không tải

Trang 33

Chương 3 MÁY BIẾN ÁP LÀM VIỆC VỚI TẢI ĐỐI XỨNG3.2 Độ thay đổi điê ̣n áp thứ cấp của MBA Đặc tính làm việc của MBA:

Độ biến thiên điện áp thứ cấp theo tính chất của tải:

Hệ số tải của MBA:

Trang 35

Chương 3 MÁY BIẾN ÁP LÀM VIỆC VỚI TẢI ĐỐI XỨNG3.3 Các phương pháp điều chỉnh điện áp của MBA:

- Thay đổi số vòng dây khi MBA đang làm việc (điều áp dưới tải):

- Điều chỉnh số vòng dây khi MBA ngừng làm việc (điều chỉnh không kích thích)

Phạm vi điều chỉnh trong khoảng  5%

Trang 36

Chương 3 MÁY BIẾN ÁP LÀM VIỆC VỚI TẢI ĐỐI XỨNG

3.4 MBA làm việc song song: Điều kiện để các MBA làm việc song song:

- Điện áp định mức sơ cấp và thứ cấp phải bằng nhau (cùng tỷ số MBA):

- Cùng tổ đấu dây:

- Điện áp ngắn mạch phải bằng nhau: u nII = u nI

1I 1II 2 I 2 II

U  U ; U  U

Điều kiện này đảm

bảo cho điện áp dây

Trang 37

Chương 4 MÁY BIẾN ÁP ĐẶC BIỆT

4.1 Máy biến áp ba dây quấn

- MBA ba dây quấn là MBA có 1 dây quấn sơ cấp và 2 dây

quấn thứ, dùng để cung cấp điện cho các lưới điện có các

cấp điện áp khác nhau, ứng với các tỉ số biến đổi k12, k13:

+ Tổn hao năng lượng bé hơn

- Nhược điểm so với MBA hai dây quấn:

+ Độ tin cậy kém hơn, đòi hỏi cách điện cao hơn

+ Việc bố trí đầu ra các dây quấn phức tạp hơn

Trang 38

- Phương trình cân bằng điện áp của MBA 3 dây quấn:

Trang 39

4.2 Máy biến áp tự ngẫu

MBA tự ngẫu (Máy tự biến áp): là loại MBA mà ở đó ngoài sự liên hệ với nhau

về từ còn có sự liên hệ trực tiếp với nhau về điện giữa dây quấn sơ cấp và thứ cấp Trong đó, dây quấn sơ cấp là một bộ phận của dây quấn thứ cấp (MBA tăng áp) hoặc dây quấn thứ là một bộ phận của dây quấn sơ (MBA hạ áp)

- Ưu điểm:

+ Hiệu suất cao hơn, ít sụt áp

+ MBA Tn chế tạo rẻ hơn MBA 2 dây quấn

cùng công suất

- Nhược điểm:

+ Vì un nhỏ nên In tương đối lớn+ Yêu cầu cách điện cao hơn+ Khi vận hành lưới điện trung tính MBATN phải được nối đất nếu không

sẽ không an toàn

Trang 40

4.3 Máy biến áp đo lường

Các MBA đo lường dùng để mở rộng thang đo các dụng cụ đo lường Khi cần đo điện áp hoặc dòng điện lớn, người ta dùng các máy biến điện có tỉ số chính xác kết hợp với các dụng cụ đo tiêu chuẩn Có 2 loại MBA đo lường: TU và TI

1 Máy biến điện áp TU

- Máy biến điện áp dùng để biến điện áp cao thành điện áp thấp để đo lường

bằng các dụng cụ đo tiêu chuẩn

-Số vòng dây: W2 < W1

-Thông thường qui định điện áp thứ cấp: U2đm = 100V Công suất Sđm = 25 

1000VA

Trang 41

- Khi mắc dây: cuộn dây sơ cấp nối song song với điện áp lớn cần đo, cuộn thứ cấp nối với vôn kế, với cuộn áp của oát kế, các dụng cụ này có tổng trở rất lớn nên máy biến điện áp xem như làm việc ở chế độ không tải Do đó, sai số về trị số

Trang 42

2 Máy biến dòng điện

- Máy biến dòng điện dùng để biến dòng điện lớn xuống dòng điện nhỏ để đo lường bằng các dụng cụ đo tiêu chuẩn và các mục đích khác

I2 < I1 nên số vòng dây W2 > W1

Dòng điện thứ cấp định mức: I2 = 5A

Công suất Sdm = 5  100VA

- Khi mắc dây, dây sơ cấp đấu nối tiếp với mạch điện có dòng điện lớn cần đo, dây thứ cấp gồm nhiều vòng dây nối với ampekế, với cuộn dây dòng của oátkế, với các cuộn dây của các rơle bảo vệ hoặc các thiết bị điều khiển khác Các dụng cụ này có tổng trở Z rất bé nên máy biến dòng điện xem như làm việc ở chế độ ngắn mạch, khi đó lõi thép không bão hòa và  = (0,8 ÷ 1)Wb Do đó, sai số đo lường về trị số nhỏ:

Trang 43

- Cấp chính xác và sai số của máy biến dòng điện:

- Khi sử dụng máy biến dòng điện không được để dây quấn thứ cấp hở mạch vì như vậy dòng từ hóa I0 = I1 rất lớn và lõi thép bão hòa nghiêm trọng sẽ nóng lên làm cháy dây quấn Hơn nữa, từ thông bằng đầu sẽ sinh ra sđđ nhọn đầu ở dây quấn thứ cấp và không an toàn cho người sử dụng

Trang 44

4.4 Máy biến áp hàn hồ quang

Là MBA đặc biệt dùng để hàn bằng phương pháp hồ quang điện Máy được chế tạo có điện kháng tản lớn và cuộn dây thứ cấp nối với cuộn kháng ngoài K để hạn chế 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 thứ cấp một đầu nối với cuộn điện kháng

K rồi tới que hàn, còn đầu kia nối với tấm kim loại cần hàn

MBA hàn làm việc ở chế độ ngắn mạch ngắn hạn dây quấn thứ cấp Điện áp thứ cấp định mức của MBA hàn thường 60 ÷ 70V

Trang 45

Phần 2 MÁY ĐIỆN QUAY

Chương 5 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ

5.1 Khái niệm chung và phân loại

Máy điện không đồng bộ là máy điện quay xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ của rôto n  n1 tốc độ từ trường quay, n1 = 60f/p

f: tần số dòng điện stator; p: số đôi cực của máy

Máy điện không đồng bộ có thể làm việc ở hai chế độ: Động cơ và máy phát

Phân loại máy điện không đồng bộ

- Phân theo kết cấu vỏ máy: kiểu kín, kiểu bảo vệ, kiểu hở

- Phân theo số pha có: máy điện KĐB 1 pha, 2 pha, 3 pha

- Phân theo kiểu d/q roto: máy điện KĐB roto lồng sóc, máy điện KĐB roto dây quấn

Các đại lượng định mức của động cơ không đồng bộ

- Công suất cơ có ích trên trục: Pđm (W; kW)

- Điện áp dây stato: U1đm (V)

- Dòng điện dây stato: I1đm (A)

- Tốc độ quay rôto: nđm (vòng/phút)

- Hệ số công suất: cosđm

- Hiệu suất: đm

- Tần số : f(Hz)

Trang 46

Trang 47

Trang 48

5.3 Nguyên lý làm việc của máy điện không đồng bộ

Xét các chế độ từ trường quay của máy điện không đồng bộ

1 Roto quay cùng chiều từ trường quay nhưng tốc độ n < n 1 (0 < s <1)

Trang 49

5.4 Các phương trình cân bằng trong máy điện không đồng bộ

a Phương trình sức điện động dây quấn stato:

U    I Z  E 

R1 là điện trở dây quấn stato

X1 = 2fL1: điện kháng tản dây quấn stato, đặc trưng cho từ thông tản stato.f=f1: tần số dòng điện stato, cũng là tần số lưới điện (Hz)

L1: điện cảm tản stato

max : biên độ từ thông của từ trường quay

W1, kdq1: thứ tự số vòng dây và hệ số dây quấn của 1 pha stato

E1: sức điện động pha stato

1 1 dq1 max

Trang 50

b Phương trình sức điện động dây quấn roto:

- Khi rôto đứng yên s = 1, tần số f2 = f1 = f Sđđ dây quấn rôto lúc đứng yên là:

E2 = 4,44.f.W2 kdq2 m suy ra: E 2s  s.E 2  E2

Trang 51

c Phương trình sức từ động của động cơ không đồng bộ

- Dòng điện trong dây quấn stato sinh ra từ trường quay stato quay với tốc độ n1

I0 là dòng điện stato lúc không tải

I1, I2 là dòng điện stato và rôto khi có tải

m1, m2 là số pha của dây quấn stato và rôto

kdq1, kdq2 là hệ số dây quấn của dây quấn stato và rôto

Trang 52

5.5 Mạch điện thay thế máy điện không đồng bộ

a Sơ đồ thay thế đầy đủ động cơ không đồng bộ:

Trong đó: E2’= keE2 = E1 là sđđ pha rotor qui đổi về stator; ke là hệ số qui đổi sđđ

I2’ = I2/ki là dòng điện rotor qui đổi về stator, ki là hệ số qui đổi dòng điện

R2’ = kekiR2 là điện trở dây quấn rotor qui đổi về stator

X2’= kekiX2 là điện kháng dây quấn rotor qui đổi về stator

R2’/s = R2’+ R2’(1-s)/s = R2’ + Rcơ

Rcơ = R2’(1-s)/s gọi là điện trở cơ giả tưởng, năng lượng tiêu tán trên điện trở này tương đương năng lượng điện từ biến thành cơ năng trên trục động cơ khi nó quay

Trang 53