Giáo trình Máy điện

Đặt vào dây quấn sơ cấp một điện áp xoay chiều u1, trong đó sẽ có dòng điện i1, dòng điện này sẽ tạo từ thông xoay chiều , từ thông chạy trong mạch từ sẽ móc vòng qua hai cuộn dây sơ cấ

ỦY BAN NHÂN DÂN TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG CAO ĐẲNG GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

LỜI NÓI ĐẦU

Nhằm mục đích phục vụ cho việc giảng dạy và làm tài liệu tham khảo cho các môn chuyên ngành Điện trong Trường Cao Đẳng Giao Thơng Vận Tải TP.HCM Cuốn sách này ra đời làm giáo trình để giảng dạy cho học sinh đang học hệ Cao đẳng và Trung cấp chuyên ngành điện và các ngành liên quan

Nội dung cuốn sách trình “ Máy điện” bày chi tiết các vấn đề dựa theo chương trình khung của Bộ Giáo Dục và Đào Tạo và kết hợp với kiến thức nhằm nâng cao chất lượng đào tạo, đáp ứng với sự phát triển công nghệ hiện đại

Trong quá trình biên soạn, giáo trình sẽ còn một số hạn chế và sai sót Mong nhận được sự đóng góp ý kiến để hoàn thiện hơn Mọi sự đóng góp xin gửi về: Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử ,Trường Cao Đẳng Giao Thơng Vận Tải TP.HCM Tác giả

LỜI NÓI ĐẦU

Trang

Chương mở đầu : Khái niệm về máy điện

PHẦN 1: MÁY BIẾN ÁP ( 15 tiết) Chương 1 : Khái niệm về Máy biến áp

1.3 Nguyên lý làm việc cơ bản của máy biến áp 13

Chương 2 : Tổ nối dây và mạch từ của Máy biến áp

Chương 3 : Các quan hệ điện từ trong Máy biến áp

Chương 4 : Máy biến áp làm việc ở tải xác lập đối xứng

4.2 Độ thay đổi điện áp và cách điều chỉnh điện áp 34

PHẦN II : LÝ LUẬN CHUNG CỦA MÁY ĐIỆN QUAY (18 tiết )

Chương 1 : Sức điện động của máy điện quay

1.1 Sức điện động của máy điện một chiều 43 1.2 Sức điện động cảm ứng trong dây quấn máy điện xoay chiều 43 1.3 Các phương pháp cải thiện dạng sóng sức điện động 44

Chương 2 : Dây quấn phần ứng của máy điện quay

3.1 Đại cương 65

PHẦN III : MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ ( 18 tiết)

Chương 1 : Đại cương về Máy điện không đồng bộ

Chương 2 : Các quan hệ điện từ trong máy điện không đồng bộ

2.1 Máy điện không đồng bộ làm việc khi rotor đứng yên 76 2.2 Máy điện không đồng bộ làm việc khi rotor quay 79 2.3 Giản đồ năng lượng và đồ thị vectơ của máy điện không đồng bộ 82 2.4 Biểu thức Moment điện từ của máy điện không đồng bộ 83 2.5 Các đường đặc tính của động cơ không đồng bộ 84

Chương 3 : Mở máy và điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ

3.1 Quá trình mở máy động cơ không đồng bộ 90 3.2 Các phương pháp mở máy động cơ không đồng bộ 91 3.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 93

Chương 4 : Động cơ không đồng bộ một pha

4.3 Phương pháp mở máy và các loại động cơ không đồng bộ một pha 98 4.4 Sử dụng động cơ khơng đồng bộ ba pha vào lưới điện một pha

PHẦN IV : MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ ( 12 tiết )

Chương 1 : Đại cương về máy điện đồng bộ

1.2 Phân loại và cấu tạo của máy điện đồng bộ 103 1.3 Các trị số định mức của máy điện đồng bộ 105 1.4 Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điện đồng bộ 106

Chương 2 : Từ trường trong máy điện đồng bộ

Chương 3 : Quan hệ điện từ trong máy điện đồng bộ

3.2 Phương trình điện áp và đồ thị vectơ máy điện đồng bộ 111 3.3 Cân bằng năng lượng trong máy điện đồng bộ 113 3.4 Các đặc tính góc của máy điện đồng bộ 114

4.1 Đại cương 116 4.2 Các đặc tính của máy phát điện đồng bộ 116 4.3 Tổn hao và hiệu suất của máy điện đồng bộ 117

Chương 5 : Máy phát điện đồng bộ làm việc song song

5.2 Ghép máy phát điện đồng bộ làm việc song song 119 5.3 Điều chỉnh công suất tác dụng và công suất phản kháng của

Chương 6 : Động cơ và máy bù đồng bộ

PHẦN V : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU ( 12 tiết )

Chương 1 : Đại cương về máy điện một chiều

1.3 Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điện một chiều 129

Chương 2 : Quan hệ điện từ trong máy điện một chiều

2.2 Quá trình năng lượng và các phương trình cân bằng 133 2.3 Tính chất thuận nghịch trong máy điện một chiều 135

Chương 3 : Từ trường lúc có tải

3.8 Tia lửa điện trên cổ gĩp và biện pháp khắc phục 145

Chương 4 : Máy phát điện một chiều

4.2 Các đặc tính của máy phát điện một chiều 147

Chương 5 : Động cơ điện một chiều

5.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều 152 Tài liệu tham khảo

PHẦN MỞ ĐẦU: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN

I ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI

1 Định nghĩa

Việc sử dụng tài nguyên thiên nhiên sẽ không thể có được nếu không có sự biến đổi năng lượng, từ dạng này sang dạng khác Các máy thực hiện sự biến đổi

cơ năng thành điện năng hoặc biến đổi ngược lại được gọi là các máy điện

Máy điện dùng để biến đổi cơ năng thành điện năng được gọi là “máy

phát ” Máy điện dùng để biến đổi ngược lại được gọi là “động cơ” Các máy điện

đều có tính thuận nghịch, nghĩa là có thể biến đổi năng lượng theo cả hai chiều Nếu đưa cơ năng vào phần quay của máy điện, nó làm việc ở chế độ máy phát điện năng Nếu đưa điện năng vào máy thì phần quay của nó sẽ sinh ra công cơ học

Máy điện là một hệ điện từ gồm các mạch từ và mạch điện liên quan với nhau Mạch từ gồm các bộ phận dẫn từ bằng vật liệu từ và khe không khí không từ tính tách biệt chúng với nhau

Sự biến đổi năng lượng cơ – điện trong các máy điện dựa trên các hiện tượng cảm ứng điện từ Các máy điện hoạt động dựa trên cơ sở định luật cảm ứng

điện từ được gọi là máy kiểu cảm ứng

Máy điện là máy thường gặp nhiều nhất trong các ngành kinh tế như công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải … và trong các dụng cụ sinh hoạt gia đình

2 Phân loại

Máy điện có nhiều loại được phân theo nhiều cách khác nhau, ví dụ phân loại theo công suất, theo cấu tạo, theo chức năng, theo loại dòng điện (xoay chiều, một chiều), theo nguyên lý làm việc v.v Trong giáo trình này ta phân loại dựa vào nguyên lý biến đổi năng lượng như sau:

Máy điện tĩnh thường gặp là máy biến áp Máy điện tĩnh làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ do sự biến thiên từ thông giữa các cuộn dây không có chuyển động tương đối với nhau

Máy điện tĩnh thường dùng để biến đổi thông số điện năng Do tính chất thuận nghịch của các quy luật cảm ứng điện từ, quá trình biến biến đổi co ùtính thuận nghịch, ví dụ máy biến áp biến đổi điện năng có thông số: U1, I1, f, U2, I2, f, thành hệ thống điện U1, I1, f,

b) Máy điện quay:

Nguyên lý làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, lực điện từ, do từ trường và dòng điện của các cuộn dây có chuyển động tương đối với nhau gây ra

Loại máy điện này thường dùng để biến đổi dạng năng lượng, ví dụ biến đổi điện năng thành cơ năng (động cơ điện) hoặc biến đổi cơ năng thành điện năng (máy phát điện) Quá trình biến đổi có tính thuận nghịch, nghĩa là máy điện có thể làm việc ở chế độ máy phát điện hoặc động cơ điện

Hình 2: Nguyên lý máy điện quay

Máy điện tĩnh Máy điện quay

Máy điện xoay chiều một chiều Máy điện

Máy không đồng boä

Máy đồng bộ

bo ä

Máy phát không đồng bộ

Động

cơ đồng

bo ä

Máy phát đồng

bo ä

Động

cơ một chiều

Máy phát một chiều

II CÁC ĐỊNH LUẬT ĐIỆN TỪ CƠ BẢN DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN

Nguyên lý làm việc của tất cả các máy điện đều dựa trên cơ sở hai định luật cảm ứng điện từ và lực điện từ

1 Định luật cảm ứng điện từ

a) Trường hợp từ thông  biến thiên

xuyên qua vòng dây

Khi từ thông  biến thiên xuyên qua vòng

dây dẫn, trong vòng dây sẽ cảm ứng sức điện

động Nếu chọn chiều sức điện động cảm ứng

phù hợp với chiều của từ thông theo quy tắc vặn

nút chai, sức điện động cảm ứng trong một vòng

dây, được viết theo công thức Mácxoen như sau:

wd

Trong đó:  =w gọi là từ thông móc vòng của cuộn dây

Trong các công thức (K.1), (K.2) từ thông đo bằng Wb (vebe), sức điện động đo bằng V

b) Trường hợp thanh dẫn chuyển động trong từ trường

K - 4

Hình 3: Cảm ứng điện từ trong vịng dây

Hình 4: Cảm ứng điện từ trong thanh dẫn

Khi thanh dẫn chuyển động thẳng vuông góc với đường sức từ trường (đó là trường hợp thường gặp trong máy phát điện), trong thanh dẫn sẽ cảm ứng sức điện động e, có trị số là: e = B.l.v (K.3)

Trong đó:

B - từ cảm đo bằng T(tesla)

l - chiều dài hiệu dụng của thanh dẫn (phần thanh dẫn nằm trong từ trường)

đo bằng m

v- tốc độ thanh dẫn đo bằng m/s

Chiều của sức điện động cảm ứng được xác định theo quy tắc bàn tay phải (hình K-5)

2 Định luật lực điện từ

Khi thanh dẫn mang dòng điện đặt thẳng góc với đường sức từ trường (đó là trường hợp thường gặp trong động cơ điện), thanh dẫn sẽ chịu một lực điện từ tác dụng vuông góc có trị số là:

Fđt = B.i.l (K.4) Trong đó:B- từ cảm đo bằng T

i- dòng điện đo bằng A (ampe)

l- chiều dài hiệu dụng thanh dẫn đo bằng m (mét)

Fđt – lực điện từ đo bằng N (niutơn)

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

3 Định luật lực điện từ

Lỏi thép máy điện là mạch từ Mạch từ là mạch khép kín dùng để dẫn từ thơng Định luật dịng điện tồn phần H.dl i→ H.l = w.i

 H: cường độ từ trường trong mạch từ đo bằng A/m

 L: chiều dài trung bình của mạch từ (m)

Hình 5: Lực điện từ

 W: số vịng dây của cuộn dây

 I: tạo ra từ thơng trong mạch từ gọi là dịng điện từ hĩa

 w.i: gọi là sức từ động

 H.l: gọi là từ áp rơi

- Đối với mạch từ gồm nhiều cuộn dây và nhiều đoạn khác nhau

H1.l1+H2.l2 = W1i1-W2I2

 H1,H2: tương ứng là cường độ từ trường trong đoạn 1,2

 L1, L2: chiều dài trung bình đoạn 1,2

 W1.i1, W2.i2: sức từ động dây quấn 1,2

 Dấu – trước w2.i2vì chiều i2khơng phù hợp

với chiều từ thơng đã chọn theo quy tắc vặn nút chai

k

k

K l W i H

1 1

.

Trong đĩ dịng điện il cĩ chiều phù hợp với chiều Φ đã chọn theo quy tắc vặn nút chai

sẽ mang dấu dương, khơng phù hợp mang dấu âm

III NGUYÊN LÝ MÁY PHÁT ĐIỆN VÀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN TÍNH THUẬN NGHỊCH CỦA MÁY ĐIỆN

Máy điện có tính thuận nghịch, nghĩa là có thể làm việc ở chế độ máy phát điện hoặc động cơ điện

1) Chế độ máy phát điện

Cho cơ năng của động cơ sơ cấp tác dụng váo thanh dẫn một lực cơ học Fcơ

thanh dẫn sẽ chuyển động với tốc độ v trong từ trường của nam châm N-S trong thanh dẫn sẽ cảm ứng sức điện động e Nếu nối vào hai cực của thanh dẫn điện trở

R của tải, dòng điện i chạy trong thanh dẫn cung cấp điện cho tải Nếu bỏ qua điện trở của thanh dẫn, điện áp đặt vào tải u = e Công suất điện máy phát cung cấp cho tải là Pđ = ui = ei

Dòng điện i nằm trong từ trường sẽ chịu tác dụng của lực điện từ Fđt = Bil có chiều như hình

Khi máy quay với tốc độ không đổi lực điện từ sẽ cân bằng với lực cơ của động cơ sơ cấp:

Fcơ =Fđt Nhân 2 vế với v ta có:

Fcơ v = Fđt v = Bil = ei

Như vậy công suất cơ của động cơ sơ cấp Pcơ = Fcơ v đã được biến đổi thành công suất điện Pđ = ei nghĩa là cơ năng biến thành điện năng

2) Chế độ động cơ điện

Cung cấp điện cho máy phát điện, điện áp U của nguồn điện sẽ gây ra dòng điện i trong thanh dẫn Dưới tác dụng của từ trường sẽ có lực điện từ Fđt = Bil tác dụng lên thanh dẫn làm thanh dẫn chuyển động với tốc độ v có chiều như hình

Hình 8: Chế độ máy phát

Hình 9: Chế độ động cơ

Như vậy công suất điện Pđ = ui đưa vào động cơ đã được biến thành công suất cơ Pcơ = Fđt v trên trục động cơ Điện năng đã được biến đổi thành cơ năng Ta nhận thấy cùng một thiết bị điện từ tuỳ theo năng lượng đưa vào mà máy điện có thể làm việc ở chế độ động cơ hoặc máy phát điện Mọi loại máy điện đều có tính chất thuận nghịch

IV CÁC VẬT LIỆU CHẾ TẠO MÁY ĐIỆN

Vật liệu chế tạo máy điện gồm: vật liệu dẫn điện, vật liệu dẫn từ, vật liệu cách điện và vật liệu kết cấu

1 Vật liệu dẫn điện

Vật liệu dẫn điện dùng để chế tạo các bộ phận dẫn điện Vật liệu dẫn điện dùng trong máy điện tốt nhất là đồng vì chúng không đắt lắm và có điện trở suất nhỏ Ngoài ra còn dùng nhôm và các hợp kim khác như đồng thau, đồng phốt pho Để chế tạo dây quấn ta thường dùng đồng, đôi khi nhôm Dây đồng và dây nhôm như sợi vải, sợi thuỷ tinh giấy nhựa hoá học, sơn êmai Với các máy điện công suất nhỏ và trung bình, điện áp dưới 700V thường dùng dây êmai vì lớp cách điện mỏng, đạt độ bền yêu cầu đối với các bộ phận khác ngư vành đổi chiều, lồng sóc hoặc vành trượt, ngoài đồng, nhôm, người ta còn dùng cả hợp kim của đồng hoặc nhôm, hoặc có chỗ còn dùng cả thép để tăng độ bền cơ học và giảm kim loại màu

2 Vật liệu dẫn từ

Vật liệu dẫn từ dùng để chế tạo các bộ phận của mạch từ, người ta dùng các vật liệu sắt từ để làm mạch từ, thép lá kỹ thuật điện, thép lá thường, thép đúc, thép rèn Gang ít được dùng, vì dẫn từ không tốt lắm

Ở đoạn mạch từ có từ thông biến đổi với tần số 50Hz thường dùng thép lá kỹ thuật điện dày 0,35-0,5 mm, trong thành phần thép có từ 2-5% Si (để tăng điện trở của thép, giảm dòng điện xoáy) Ở tần số cao hơn, dùng thép lá kỹ thuật điện dày 0,1-0,2 mm Tổn hao công suất trong thép lá do hiện tượng từ trễ và dòng điện xoáy được đặc trưng bằng suất tổn hao Thép lá kỹ thuật điện được chế tạo bằng phương pháp cán nóng và cán nguội Hiện nay với máy biến áp và máy điện thường dùng thép cán nguội vì có độ từ thẩm cao hơn và công suất tổn hao nhỏ hơn loại cán nóng

Ở đoạn mạch từ có từ trường không đổi, thường dùng thép đúc, thép rèn hoặc thép lá

3 Vật liệu cách điện

Vật liệu cách điện dùng để cách ly các bộ phận dẫn điện và không dẫn điện hoặc cách ly các bộ phận dẫn điện với nhau Trong máy điện, vật liệâu cách điện phải có cường độ cách điện ca, chịu nhiệt tốt, tản nhiệt tốt, chống ẩm và bền về cơ học Độ bền vững về nhiệt của các chất cách điện bọc dây dẫn, quyết định nhiệt độ cho phép của dây dẫn và do đó quyết định tải của nó

Nếu tính năng cao thì lớp cách điện có thể mỏng và kích thước máy giảm, chất cách điện chủ yếu ở thể rắn, gồm 4 nhóm:

 Chất hữu cơ thiên nhiên như giấy, vải lụa

 Chất vô cơ như amiăng, mica, sợi thuỷ tinh

 Các chất tổng hợp

 Các loại men, sơn cách điện

Chất cách điện tốt nhất là mica, song tương đối đắt tiền nên chỉ dùng trong các máy điện có điện áp cao Thông thường dùng các vật liệu có sợi như giấy, vải, sợi v.v Chúng có độ bền cơ tốt, mềm, rẻ tiền nhưng dẫn nhiệt xấu, hút ẩm, cách điện kém Do đó dây dẫn cách điện sợi phải được sấy tẩm để cải thiện tính năng của vật liệu cách điện

Căn cứ vào độ bền nhiệt, vật liệu cách điện được chia ra nhiều loại cấp cách điện sau:

Nhiệt độ trung bình cho phép dây quấn ,

( 0 C)

A Sợi xenlulô, bông hoặc tơ tẩm trong vật liệu hữu cơ lỏng 105 100

B Amiăng, sợi thuỷ tinh có chất kết dính và vật liệu gốc mica 130 120

F

Amiăng, vật liệu gốc mica, sợi

thuỷ tinh có chất kết dính và

H

Vật liệu gốc mica, amiăng sợi

thủy tinh phối hợp chất kết

Ngoài ra còn có chất cách điện ở thể khí (không khí, hydro) hoặc thể lỏng (dầu máy biến áp)

4 Vật liệu kết cấu

Vật liệu kết cấu là vật liệu để chế tạo các chi tiết chịu các tác động cơ học như trục, ổ trục, vỏ máy, nắp máy Trong máy điện, các vật liệu kết cấu thường là gang, thép lá, thép rèn, kim loại màu và hợp kim của chúng, các chất dẻo

V PHÁT NÓNG VÀ LÀM MÁT MÁY ĐIỆN

Trong quá trình làm việc có tổn hao công suất Tổn hao trong máy điện gồm tổn hao sắt từ (do hiện tượng từ trễ và dòng xoáy) trong thép, tổn hao đồng trong điện trở dây quấn và tổn hao do ma sát (ở máy điện quay) Tất cả tổn hao năng lượng đều biến thành nhiệt năng làm nóng máy điện

Để làm mát máy điện, phải có biện pháp tản nhiệt ra môi trường xung quanh Sự tản nhiệt không những phụ thuộc vào bề mặt làm mát của máy mà còn phụ thuộc vào sự đối lưu của không khí xung quanh hoặc của môi trường làm mát khác như dầu máy biến áp v.v Thường vỏ máy điện được chế tạo có các cánh tản nhiệt và máy điện có hệ thống quạt gió để làm mát

Kích thước của máy, phương pháp làm mát máy, phải được tính toán và lựa chọn để cho độ tăng nhiệt của vật liệu cách điện trong máy không vượt quá độ tăng nhiệt cho phép, đảm bảo cho vật liệu cách điện làm việc lâu dài khoảng 20 năm

Khi máy điện làm việc ở chế độ định mức, độ tăng nhiệt của các phần tử không vượt quá độ tăng nhiệt cho phép Khi máy quá tải, độ tăng nhiệt sẽ vượt quá nhiệt độ cho phép, vì thế không cho phép quá tải lâu dài

Câu hỏi:

1 Định nghĩa máy điện Cơng dụng của máy điện

2 Tính thuận nghịch của máy điện là gì

3 Trình bày các định luật dùng trong máy điện Cơng dụng của từng định luật vào từng loại máy điện

4 Nêu các loại vật liệu dùng trong máy điện, đặc điểm từng loại

5 Tại sao phải làm mát động cơ điện

PHẦN I: MÁY BIẾN ÁP Chương 1: KHÁI NIỆM VỀ MÁY BIẾN ÁP

1.1 ĐẠI CƯƠNG

Để dẫn điện từ các trạm phát điện đến hộ tiêu thụ cần có đường dây tải điện Nếu khoảng cách giữa nơi sản xuất điện và hộ tiêu thụ lớn, một vấn đề lớn đặt ra và cần được giải quyết là việc truyền tải điện năng đi xa làm sao cho kinh tế nhất

Như ta đã biết cùng một công suất truyền tải trên đường dây, nếu điện áp được tăng cao thì dòng điện sẽ giảm xuống, như vậy có thể làm tiết diện dây nhỏ

đi, do đó trọng lượng và chi phí lắp đặt sẽ giảm xuống Vì thế muốn truyền tải điện năng đi xa, ít tổn hao và tiết kiệm kim loại màu, trên đường dây người ta thường dùng điện áp cao, thường là 35, 110, 220 và 500KV Trên thực tế, các máy điện không có khả nắng phát ra những điện áp cao như vậy Do đó phải có thiết bị tăng điện áp ở đầu đường dây lên Mặc khác các hộ tiêu thụ thường yêu cầu điện áp thấp, từ 0,4 đến 6KV, do đó tới đây phải có thiết bị giảm điện áp xuống Những thiết bị dùng để tăng điện ở đầu ra của máy phát điện và giảm điện áp khi tớiû các hộ tiêu thụ tức cuối đường dây gọi là các máy biến áp Những máy biến áp dùng trong hệ thống điện lực gọi là máy biến áp điện lực hay máy biến áp công suất Từ đó ta cũng thấy rõ máy biến áp chỉ làm nhiệm vụ truyền tải hoặc phân phối năng lượng chứ không phải là biến hoá năng lượng

Ngoài máy biến áp điện lực ra còn có nhiều loại máy biến áp dùng trong các chuyên ngành như: máy biến áp chuyên dùng cho các lò điện luyện kim, máy biến áp hàn điện, máy biến áp dùng cho các thiết bị chỉnh lưu, máy biến áp dùng cho đo lường, thí nghiệm …

~

Máy phát điện

Máy biến áp giảm áp

Máy biến áp tăng áp

Hộ tiêu thụ

Hình 1.1: Sơ đồ mạng truyền tải điện đơn giản

Khuynh hướng phát triển của máy biến áp điện lực hiện nay là thiết kế chế tạo những máy biến áp có dung lượng thật lớn, điện áp thật cao, dùng nguyên vật liệu mới để giảm trọng lượng và kích thước máy Về vật liệu hiện nay đã dùng loại thép cán lạnh không những có từ tính tốt mà tổn hao sắt lại ít, do đó nâng cao được hệ số công suất của máy biến áp Khuynh hướng dùng dây nhôm thay dây đồng vừa tiết kiệm được đồng vừa giảm được trọng lượng máy cũng đang phát triển

1.2 CẤU TẠO

Máy biến áp có các bộ phận chính sau đây: lõi thép, dây quấn, vỏ máy

1.2.1 Lõi thép

Lõi thép dùng để làm mạch từ, đồng thời làm khung để quấn dây quấn

 K iểu lõi hay kiểu trụ: dây quấn bao quanh trụ thép, loại này rất thơng dụng cho

các mba 1 pha và 3 pha, dung lượng nhỏ và trung bình

 K iểu bọc: mạch từ được phân nhánh ra 2 bên và bọc lấy một phần dây quấn,

loại này dùng cho mba cĩ cơng suất nhỏ Các mba hiện đại dung lượng lớn và cực lớn (từ 80 đến 100 MVA cho 1 pha) để giảm chiều cao của trụ thép, dễ dàng cho việc vận chuyển, mạch từ được phân nhánh sang 2 bên, nên vừa cĩ kiểu bọc, vừa cĩ kiểu trụ

 Kiểu lõi hình xuyến: sử dụng trong máy biến áp đo lường, máy biến áp điều

Lõi thép máy biến áp gồm 2 phần: phần trụ ký hiệu chữ T và phần gơng ký

hiệu chữ G Trụ là phần l i thép cĩ quấn dây quấn, gơng là phần l i thép nối các trụ với nhau thành mạch kín và khơng cĩ dây quấn

L i thép được ghép bới các lá thép kỹ thuật điện dày từ 0,35 – 0,5mm, cĩ phủ sơn cách điện trên bề mặt (giảm dịng điện xốy) Trụ và gơng cĩ thể ghép nối hoặc ghép xen kẽ, ghép nối thì trụ và gơng ghép riêng, sau đĩ dùng sà ép và bu lơng vít siết chặt lại Ghép xen kẽ thì tồn bộ l i thép phải ghép đồng thời và các lá thép được ghép xen kẽ với nhau Phương pháp này tuy phức tạp nhưng giản được dịng điện xốy và bền về phương diện cơ học, do vậy hầu hết các máy biến hiện nay đều dùng kiểu ghép này

1.2.2 Dây quấn

Dây quấn là bộ phận dẫn điện của máy biến áp, làm nhiệm vụ thu năng lượng vào và truyền năng lượng ra Kim loại làm dây quấn thường bằng đồng cũng có thể bằng nhôm nhưng không phổ biến Theo cách sắp xếp dây quấn cao áp và dây quấn hạ áp người ta chia ra hai loại dây quấn chính: dây quấn đồng tâm và dây quấn xen kẽ

Dây quấn đồng tâm: Ở đây dây quấn đồng tâm tiết diện ngang là những vòng tròn đồng tâm Dây quấn hạ áp thường quấn phía trong gần trụ thép, còn dây quấn cao áp quấn phía ngoài bọc lấy dây quấn hạ áp Với cách quấn này có thể giảm bớt được điều kiện cách điện của dây quấn cao áp bởi vì giữa dây quấn cao áp và trụ đã có cách điện là dây quấn hạ áp

Những kiểu dây quấn chính bao gồm:

 Dây quấn hình trụ

 Dây quấn hình xoắn

 Dây quấn xoắn liên tục

Dây quấn xen kẽ: Các bánh dây cao áp và hạ áp lần lượt xen kẽ nhau dọc theo trụ thép Cần chú ý rằng, để cách điện được dễ dàng, các bánh dây sát gông

Hình 1.4: Ghép rời l i thép Hình 1.5: Ghép xen k l i thép

thường thuộc dây quấn hạ áp Kiểu quấn dây này hay dùng trong các máy biến áp kiểu bạo Vì chế tạo và cách điện khó khăn, kém vững chắc về cơ khí nên các máy biến áp kiểu trụ hầu như không dùng dây quấn xen kẽ

1.2.3 Vỏ máy

Vỏ máy gồm hai bộ phận: thùng và nắp thùng

+ Thùng máy biến áp: thùng máy làm bằng thép, thường là hình bầu dục

Lúc máy biến áp làm việc, một phần năng lượng bị tiêu hao, thoát ra dưới dạng nhiệt đốt nóng lõi thép, dây quấn và các bộ phận khác làm cho nhiệt độ của chúng tăng lên Do đó giữa máy biến áp và môi trường xung quanh có một hiệu số nhiệt độ gọi là độ chênh nhiệt Để đảm bảo máy biến áp vận hành với tải liên tục trong thời gian qui định (thường là 15 đến 20 năm) và không bị sự cố, phải tăng cường làm lạnh bằng cách ngâm máy biến áp trong thùng dầu Nhờ sư đối lưu trong dầu, nhiệt truyền từ bộ phận bên trong máy biến áp sang dầu, rồi từ dầu qua vách thùng

ra môi trường xung quanh

+ Nắp thùng: dùng để đậy thùng và trên đó đặt các thiết bị quan trọng khác

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

Ngoài ra trên máy biến áp còn đặt bộ phận truyền động của cầu dao đổi nối các đầu điều chỉnh điện áp của dây quấn cao áp

1.3 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CƠ BẢN CỦA MÁY BIẾN ÁP

1.3.1 Nguyên lý làm việc cơ bản của máy biến áp

Nguyên lý làm việc của máy biến áp dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ

Khảo sát máy biến áp một pha hai dây quấn như hình trên, dây quấn sơ cấp có W1

vòng dây, dây quấn thứ cấp có W2 vòng dây

Đặt vào dây quấn sơ cấp một điện áp xoay chiều u1, trong đó sẽ có dòng

điện i1, dòng điện này sẽ tạo từ thông xoay chiều , từ thông chạy trong mạch từ

sẽ móc vòng qua hai cuộn dây sơ cấp và thứ cấp đồng thời cảm ứng trong chúng

các sức điện động e1, e2

Nếu máy biến áp không tải (không gắn tải) thì điện áp tại thứ cấp bằng sức

điện động e2

Nếu thứ cấp được nối với phụ tải Zt, trong dây quấn thứ cấp sẽ có dòng điện

i2, dòng điện này tạo ra từ thông thứ cấp chạy trong mạch từ, từ thông này có

khuynh hướng chống lại từ thông do dòng điện sơ cấp tạo nên, làm cho từ thông thứ

cấp (còn gọi là từ thông chính) giảm biên độ Để giữ cho từ thông chính có biên độ

không đổi thì dòng điện sơ cấp phải tăng lên một lượng lớn để bù vào sự giảm do

từ thông thứ cấp gây ra

Như vây năng lượng điện đã được truyền từ sơ cấp sang thứ cấp Cũng cần

lưu ý rằng máy biến áp là một thiết bị truyền tải năng lượng chứ không biến đổi

năng lượng

Giả sử điện áp xoay chiếu đặt vào là một hàm hình sin, thì từ thông do nó

sinh ra trong mạch từ có dạng là:

 = m sin  t (1-2) Theo định luật cảm ứng điện từ sức điện động e1, e2 được xác định:

Như vậy sức điện động cảm ứng chậm pha sau từ thông trong mạch một góc /2 (900)

Đặt E1m =  W1m = 2 f W1 m

Thì E1 =

2

2

Nếu chia E1 cho E2, ta có:

E

WW

2 1 2

k: hệ số biến áp

Nếu bỏ qua điện trở dây quấn và từ thông tản, có thể coi gần đúng U1  E1;

U2  E2:

UU1 EE WW k

2 1 2 1 2

Với:

k > 1 => U1 > U2 ; W1 > W2: máy biến áp hạ áp

k < 1 => U1 < U2 ; W1 < W2: máy biến áp tăng áp

1.3.2 Định nghĩa

Từ nguyên lý làm việc cơ bản trên ta có thể định nghĩa máy biến áp như sau: Máy biến áp là một thiết bị điện từ đứng yên, làm việc trên nguyên lý cảm ứng điện từ, 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, vớiø tần số không thay đổi

Máy biến áp có hai dây quấn gọi là máy biến áp hai dây quấn Dây quấn nối với nguồn để thu năng lượng vào gọi là dây quấn sơ cấp Dây quấn nối với tải để đưa năng lượng ra gọi là dây quấn thứ cấp Dòng điện, điện áp, công suất của từng dây quấn sẽ có kèm theo tên gọi sơ cấp và thứ cấp tương ứng (ví dụ dòng điện

sơ cấp I1, điện áp thứ cấp U2, ) Dây quấn có điện áp cao gọi là dây quấn cao áp Dây quấn có điện áp thấp gọi là dây quấn hạ áp Nếu điện áp thứ cấp bé hơn điện áp sơ cấp ta có máy biến áp giảm áp, nếu điện áp thứ cấp lớn hơn điện áp sơ cấp ta có máy biến áp tăng áp

1.4 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐỊNH MỨC

Các đại lượng của máy biến áp qui định điều kiện kỹ thuật của máy biến áp Các lượng này do nhà máy chế tạo qui định và thường ghi trên nhãn máy biến áp

1.4.1 Dung lượng hay công suất định mức: S đm

Dung lượng hay công suất định mức là công suất toàn phần (hay biểu kiến) còn gọi là dung lượng máy biến áp, đặc trưng cho khả năng truyền tải năng lượng của máy biến áp và thường được tính tại dây quấn thứ cấp

Đối với máy biến áp một pha

Sđm = U2đm I2đm Đối với máy biến áp ba pha

Sđm = 3U2đm I2đm

1.4.2 Điện áp dây sơ cấp định mức: U 1 đm

Là trị số điện áp đặt vào cuộn sơ cấp của máy biến áp khi máy làm việc Đơn vị là V hay KV

1.4.3 Điện áp dây thứ cấp định mức: U 2đm

Là trị số điện áp dây của dây quấn thứ cấp khi máy biến áp không tải và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức Đơn vị là V hay KV

1.4.4 Dòng điện dây định mức ở sơ cấp và thứ cấp: I1đm , I2đm

Là những dòng điện dây của dây quấn sơ cấp và thứ cấp ứng với công suất và điện áp định mức Đơn vị A hay KA

Đối với máy biến áp một pha

I1đm =

dm

dm

U S

2

.3

 Tổ đấu dây

 Điện áp ngắn mạch phần trăm: Un%

 Chế độ làm việc…

Câu hỏi:

1.Định nghĩa và phân loại máy biến áp

2.Trình bày cấu tạo và cộng dụng của các phần chính

3.Trình bày nguyên lý làm việc của máy biến áp

4 Nêu các đại lượng định mức của máy biến áp

Chương 2: TỔ NỐI DÂY VÀ MẠCH TỪ CỦA MÁY BIẾN ÁP

2.1 MẠCH TỪ CỦA MÁY BIẾN ÁP

Kết cấu lõi thép của máy biến áp ba pha gồm có hai loại là loại mạch từ

chung và loại mạch từ riêng

Hình 2.1: Mạch từ máy biến áp ba pha

2.1.1 Loại mạch từ riêng

Máy biến áp mạch từ riêng gồm tổ hợp ba máy biến áp một pha giống nhau ghép lại tạo thành máy biến áp ba pha

Loại này thường dùng ở công suất lớn vì có thể vận chuyển và lắp đặt từng máy thuận tiện hơn,đồng thời công tác bảo trì sửa chữa thuận lợi hơn vì có thể tiến hành trên từng máy cũng như thuận tiện cho việc lắp đặt và thay thế Tuy nhiên do có kết cấu riêng biệt cho từng máy nên kích thước sẽ lớn hơn và giá thành cũng

cao hơn vì phải gia công các thùng máy riêng biệt để bảo vệ cho từng máy nên chi phí cho vật tư sẽ nhiều hơn

2.1.2 Loại mạch từ chung

Là loại biến áp mà các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp của ba pha được quấn chung trên cùng một mạch từ

Loại mạch từ chung có kết cấu gọn hơn loại mạch từ riêng, khối lượng sắt để làm mạch từ ít hơn so với loại mạch từ riêng cùng công suất Tuy vậy, loại này có nhược điểm là lắp đặt, sửa chữa phải tiến hành trên toàn máy và khó lắp đặt vì trọng lượng lớn nên chỉ sử dụng phổ biến ở công suất nhỏ và trung bình

2.2 TỔ NỐI DÂY CỦA MÁY BIẾN ÁP

2.2.1 Định nghĩa

Tổ nối dây của máy biến áp được hình thành do sự phối hợp kiểu đấu các đầu dây sơ cấp so với kiểu đấu các đầu dây thứ cấp Tổ nối dây biểu thị các sđđ dây sơ cấp và thứ cấp, góc lệch pha giữa sđđ dây sơ cấp và thứ cấp của cùng một pha

Ơû máy biến áp ba pha do cách đấu dây quấn hình Y hay  với những thứ tự khác nhau mà góc lệch pha giữa các sức điện động dây sơ cấp và thứ cấp có thể là

300, 600, 3600 Trong thực tế, để thuận tiện, người ta không dùng “ độ” để chỉ góc lệch pha đó mà dùng phương pháp kim đồng hồ để biểu thị và gọi tên tổ nối dây máy biến áp Cách biểu thị đó như sau: kim dài của đồng hồ chỉ sức điện động sơ cấp đặt cố định ở con số 12, kim ngắn chỉ sức điện động dây quấ thứ cấp đặt tương ứng ở các con số 1, 2, 3,…, 12 Tuỳ theo góc lệch pha giữa chúng là 300, 600, …, 3600

Đối với máy biến áp ba pha sẽ có 12 tổ nối dây Ví dụ một máy biến áp ba pha có hai dây quấn nối hình Y, cùng chiều quấn dây và cùng ký hiệu đầu dây thì sức điện động pha giữa hai dây quấn hoàn toàn trùng nhau và góc lệch pha giữa hai điện áp dây sẽ bằng 00, hay 3600 Ta nói máy biến áp thuộc tổ nối dây 12 và ký hiệu là Y/Y_12

Kiểu đấu Y là: nối tắt 3 đầu dây cuối X, Y và Z lại với nhau và 3 đầu đầu A,

B và C thì để tự do Nếu đấu Y có trung tính thì ký hiệu là Y0 (ba pha bốn dây) Kiểu đấu dây Y thường áp dụng cho dây quấn cao áp vì có thể làm tăng cách điện lên 3 lần như vậy sẽ giảm được chi phí cách điện và điều kiện cách điện Dây quấn đấu Y0 thông dụng với máy biến áp cung cấp cho tải hỗn hợp:vừa sử dụng điện áp dây vừa sử dụng điện áp pha (vừa sử dụng cho tải ba ha vừa sử dụng để chiếu sáng – Đây là mạng điện thường sử dụng trong các nhà máy xí nghiệp)

Kiểu đấu dây  là: kiểu nối cuồi pha này với đầu pha kia Kiểu đấu dây này thường dùng cho dây quấn hạ áp vì kiều dây quấn này sẽ giảm dòng điện đặt lên dây quấn các pha 3 lần Như vậy ta sẽ giảm được cỡ dây Loại kiểu đấu dây này dùng cho phụ tải không cần điện áp pha

Ngoài hai kiểu đấu dây trên, còn có kiểu đấu dây ZicZac Theo kiểu đấu dây này, dây quấn mỗi pha được chia thành hai nửa cuộn (thường là bằng nhau) và

được đặt trên các trụ từ khác nhau Nối hai nửa cuộn dây ở mỗi pha sao cho những sức điện động của chúng trừ hình học với nhau (Muốn vậy, ta chỉ việc nối đầu cuối của mỗi nửa dây quấn pha với đầu cuối nửa thứ hai của dây quấn pha đó) Nếu hai nửa dây quấn bằng nhau thì sức điện động tổng sẽ lớn hơn sức điện động trong mỗi nửa dây quấn là 3 lần

Kiểu nối dây ZicZac được dùng trong các máy biến áp đặc biệt như máy biến áp dùng cho các đèn chỉnh lưu thuỷ ngân hoặc trong máy biến áp đo lường để điều chỉnh sai số về góc lệch pha

Qui ước

Dây quấn sơ cấp được ký hiệu bằng các chữ cái in hoa: Pha A ký hiệu là

AX, pha B ký hiệu là BY, pha C là CZ Dây quấn thứ cấp ký hiệu bằng các các chữ thường: pha a là ax, pha b là by, pha c là cz Dây quấn thứ cấp và sơ cấp có thể nối hình sao hoặc tam giác Nếu sơ cấp nối hình tam giác, thứ cấp nối hình sao ta ký hiệu là /Y Nếu sơ cấp nối hình sao, thứ cấp nối hình sao có dây trung tính ta ký hiệu là Y/Y0 Ví dụ Y /Y0 – 12

2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tổ đấu dây

Tổ nối dây phụ thuôïc các yếu tố sau:

_ Chiều quấn dây

_ Cách ký hiệu các đầu dây

_ Kiểu nối dây quấn sơ cấp và thứ cấp

Phương pháp ký hiệu tổ nối dây theo chiều kim đồng hồ:

_ Kim dài: sđđ sơ cấp đặt ở số 12

_ Kim ngắn: sđđ thứ cấp đặt tương ứng ở số 1,2,3… 12

Hình 2.2: Kiểu nối dây ZicZac

b

c y A

B X

Y Z

b

a z

x

aX

Xxa

a

xXA

2.2.3 Qui ước các đầu dây

Cách ký hiệu đầu dây: Hai đầu dây của một cuộn dây máy biến áp được ký hiệu một đầu là đầu đầu, đầu còn lại là đầu cuối Đối với máy biến áp 3 pha các đầu đầu và đầu cuối của các cuộn dây phải tuân theo một qui ước nhất định, giả sử dây quấn ở pha A ta chọn đầu đầu đến đầu cuối đi theo chiều kim đồng hồ thì bộ dây quấn bên pha B và pha C cũng phải theo qui ước như pha A

Ta qui ước các đầu dây ra của dây quấn sơ cấp và thứ cấp là

Lưu ý:Ở máy biến áp một pha, việc chọn đầu cuối là tùy ý, nhưng ở máy

biến áp ba pha việc chọn đầu cuối của mỗi pha phải thống nhất với nhau nếu không điện áp lấy ra ở mỗi pha sẽ mất tính đối xứng, thông thường ta chọn đầu đầu đến đầu cuối theo chiều kim đồng hồ

2.2.4 Các kiểu đấu dây máy biến áp

Có 3 kiểu đấu dây là đấu sao “Y”, đấu kiểu tam giác ““ và kiểu ziczac ”Z”

*) Kiểu đấu sao

Khi đấu sao, ba đầu dây cuối nối lại với nhau còn ba đầu dây đầu đưa ra ngoài (để tự do)

Nếu đấu sao không có dây trung tính (ba pha 3 dây), ta ký hiệu là “Y” Còn nếu đấu sao có dây trung tính (ba pha 4 dây) ta ký hiệu là “Y0”

Kiểu đấu sao thường dùng cho dây quấn cao áp để tăng độ cách điện vì điện áp lúc này đặt lên dây quấn của mỗi pha giảm 3 lần, như vậy sẽ giảm được chi

phí cách điện và điều kiện cách điện cho bộ dây quấn

Hình 2.3: Cách quấn dây của một pha

Kiểu đấu Y0 thông dụng đối với máy biến áp cung cấp điện cho tải hỗn hợp: vừa sử dụng điện áp dây vừa sử dụng điện áp pha Đây là mạng điện thường sử dụng trong các nhà máy xí nghiệp vì vừa có thể sử dụng cho tải ba pha vừa sử dụng để chiếu sáng hoặc cung cấp điện cho các phụ tải một pha

*) Kiểu dấu dây 

Kiểu đấu tam giác được ký hiệu là “”, đầu dây của pha này nối vào cuối đầu dây kia Kiểu đấu dây  thường chỉ dùng cho phía hạ áp vì dòng điện đặt lên bộ dây quấn sẽ giảm 3 lần nên giảm được tiết diện dây quấn vì thế tiết kiệâm được kim loại màu dùng để chế tạo dây quấn máy biến áp Ngoài ra cách đấu kiểu  được dùng phổ biến khi không cần điện áp pha

*) Kiểu đấu dây ziczac “Z”

Ngoài kiểu đấu dây “Y” và “ “ ta còn có kiểu đấu dây khác là kiểu ziczac Theo kiểu đấu dây này mỗi cuộn dây pha thường được chia làm hai nửa cuộn dây bằng nhau và được đặt trên hai trụ từ khác nhau Việc nối các nửa cuộn dây quấn ở mỗi pha sao cho các sđđ của chúng trừ hình học với nhau, muốn vậy ta nối đầu cuối của mỗi nửa dây quấn thứ nhất với đầu cuối của nửa dây quấn thứ hai của dây quấn pha đó

Nếu các cuộn dây được chia thành hai nửa bằng nhau thì sức điện động tổng của dây quấn pha sẽ lớn hơn sức điện động ở mỗi nửa cuộn dây quấn là 3 lần Việc nối ziczac được dùng trong các máy biến áp đặc biệt như các máy biến áp dùng cho các đèn chỉnh lưu thủy ngân hoặc trong các máy biến áp đo lường để điều chỉnh sai số về góc lệch pha

Cách biểu thị tổ đấu dây

Kim dài của đồng hồ chỉ sức điện động dây quấn sơ cấp đặt cố định ở số 12 Kim ngắn của đồng hồ chỉ sức điện động dây quấn thứ cấp đặt tương ứng ở các con số 1, 2, 3, , 12 Tuỳ theo vị trí giữa kim ngắn và kim dài mà ta có các giờ từ 1 đến

12 và tương ứng các giờ ta có góc lệch pha sđđ giữa dây quấn sơ cấp và dây quấn thứ cấp là 300, 600, , 3600 Như vậy, đối với máy biến áp ba pha sẽ có 12 tổ nối dây tương ứng với 12 giờ Trong đó tổ đấu dây  sẽ tương ứng với các giờ lẻ 1, 3, 5,

7, 9 và 11, tổ đấu dây Y sẽ tương ứng với các giờ chẵn 2, 4, 6, 8, 10 và 12

2.2.5 Tỉ số máy biến áp tương ứng với từng tổ đấu dây

Gọi số vòng dây một pha sơ cấp là w1, số vòng dây mốt pha thứ cấp là w2 tỷ số biến áp giữa sơ cấp và thứ cấp sẽ là

Up2 = WW1

2 Tỷ số điện áp dây không chỉ phụ thuộc vào tỷ số vòng dây mà còn phụ thuộc vào cách nối hình sao hay tam giác

- Khi nối hình Y/Y

Do các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp đấu  nên ta có điện áp phía sơ cấp Ud1 =

Up1 và thứ cấp Ud2 = Up2 cho nên:

Ud1

Ud2 = UUp1

p2 = WW1

2

- Khi nối dây /Y

Do các cuộn dây sơ cấp nối tam giác nên điện áp phía sơ cấp Ud1 = Up1 còn thứ cấp nối hình sao nên điện áp phía thứ cấp là Ud2 = Up2 Khi đó tỷ số điện áp dây là

- Khi nối Y/

Do phía sơ cấp đấu Y nên điện áp phía sơ cấp là Ud1 = Up1 và các cuộn dây thứ cấp đấu  nên điện áp phía thứ cấp là Ud2 = Up2 cho nên

2.Tổ nối dây của máy biến áp là gì? Tại sao phải xác định tổ nối dây

3 Nêu các kiểu đấu dây

Chương 3: CÁC QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MÁY BIẾN ÁP

3.1 CÁC PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN

Khi đặt vào dây quấn sơ cấp một nguồn điện xoay chiều U1, sẽ có dòng điện

i1 chạy trong dây quấn Nếu phía thứ cấp có tải, trong dây quấn thứ cấp sẽ xuất hiện dòng điện i2 Dòng điện i1 và i2 sẽ tạo nên các sức từ động sơ cấp i1W1 và sức từ động thứ cấp i2W2, phần lớn từ thông do sức từ động i1W1 và i2W2 sinh ra khép kín trong lõi thép và móc vòng với cả 2 dây quấn sơ cấp, thứ cấp gọi là từ thông chính  Từ thông chính  tạo ra các sức điện động trong các dây quấn sơ cấp và thứ cấp như sau:

e1   W1ddt và e2   W2 ddtNgoài ra có một phần rất nhỏ từ thông do các sức từ động sơ cấp và thứ cấp sinh ra không chạy trong lõi thép mà chạy tản ra ngoài không khí, các vật liệu cách điện (dầu …) … được gọi là từ thông tản Từ thông tản chỉ móc vòng riêng rẽ với mỗi dây quấn

Từ thông tản t1 do dòng i1 sinh ra chỉ móc vòng qua dây quấn sơ cấp

Từ thông tản t2 do dòng i2 sinh ra chỉ móc vòng qua dây quấn thứ cấp Từ thông tản được đặc trưng bằng điện cảm (hệ số từ cảm) tản như sau: Điện cảm tản dây quấn sơ cấp:

L it 1 1 1

 Điện cảm tản dây quấn thứ cấp:

2 2 2

 Các từ thông tản cũng gây nên các sức từ động tản tương ứng:

Hình 3.1: Nguyên lý làm việc của máy biến áp

e W d

dt

d dt

Trong đó t1 = W1t1 và t2 = W2t2 là từ thông tản móc vòng với dây quấn

sơ cấp và thứ cấp

Vì từ thông tản chủ yếu đi qua môi trường không từ tính, nên từ thẩm  = hằng số, vì vậy có thể xem điện cảm L1 và L2 là hằng số

Ta có: t1 = L1i1 và t2 = L2i2

Cho nên:

et1   L1didt1 và et2   L2 didt2

3.1.1 Phương trình điện áp sơ cấp

Mạch điện của mỗi dây quấn sơ và thứ cấp gồm có nguồn điện áp U, sức điện động e, điện trở dây quấn R, điện kháng tản L Áp dụng định luật Kirchhoff 2,

ta có phương trình sức điện động của dây quấn sơ cấp:

Hoặc:

u i R L didt e

t í

3.1.3 Phương trình cân bằng sức từ động

Từ phương trình điện áp sơ cấp:

Khi không tải và có tải max không đổi, do đó phương trình sức từ động dưới dạng tức thời như sau:

Trong đó i  2 ik2 là dòng điện thứ cấp đã qui đổi về phía sơ cấp

Phương trình sức từ động dưới dạng số phức:

3.2 MẠCH ĐIỆN TƯƠNG ĐƯƠNG

Khi nghiên cứu chế độ làm việc của mba dựa vào sự tính tốn phối hợp của mạch điện và mạch từ ứng với chế độ bảo hồ khác nhau của l i thép gặp nhiều khĩ khăn Để đơn giản trong tính tốn, người ta thay mạch điện và mạch từ của mba bằng một mạch điện tương đương gồm điện trở, điện kháng đặc trưng cho mba gọi là mạch điện thay thế của mba

Để cĩ 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 cĩ cùng điện áp Thực tế, (U1 U2) vì vậy phải quy đổi một trong hai dây quấn về dây quấn kia, thơng thường là quy đổi dây quấn thứ cấp về sơ cấp Việc quy đổi sao cho khơng làm thay đổi các quá trình vật lý và năng lượng xảy ra trong mba

Tất cả các lượng đã quy đổi từ thứ cấp về sơ cấp gọi là những lượng quy đổi và thêm dấu phẩy (‘) trên đầu (vd: sđđ quy đổi '

2

E , dịng điện I'

2)

3.2.1 Qui đổi các đại lượng thứ cấp về sơ cấp

- Qui đổi sức điện động và điện áp:

2

1 1 2

1 2

W

W E W

W E

Mặc khác khi thay đổi dây quấn thứ cấp về dây quấn sơ cấp W2 = W1 nên sđđ thứ cấp quy đổi lúc này bằng sđđ sơ cấp:

2 '

- Qui đổi dòng điện:

Việc quy đổi phải đảm bảo sao cho công suất thứ cấp của mba trước và sau khi quy đổi không thay đổi, nghĩa là: E2.I2 = '

2 '

2.I E

Do đó dòng điện thứ cấp quy đổi: I ' 2

2

2 2 '

K E

E

I 

Điều này có nghĩa là để đảm bảo cho công suất trong mạch thứ cấp không đổi, thì nếu

E2tăng lên K lần, I2giảm xuống K lần và ngược lại

- Qui đổi điện trở, điện kháng và tổng trở:

Khi quy đổi, vì công suất không thay đổi nên tổn hao đồng ở dây quấn thứ cấp trước và sau khi quy đổi phải bằng nhau: I '

2 2 ' 2 2 2

2.r I r

Do đó, điện trở thứ cấp quy đổi: r 2

2 2 2 ' 2

2 '

2 ( ) r K r I

I 



Về mặt vật lý, điều này có nghĩa là khi quy đổi nếu dòng điện I2 giảm K lần để giữ cho tổng hao trong dây quấn không đổi, vì tổn hao đồng tỷ lệ với bình phương dòng điện thì điện trở tăng lên K2 lần

 Tương tự điện kháng thứ cấp quy đổi: X 2

'

2K X

2 2 2 '

2 ' 2 '

2 K  jX K(r  jX ) K .Z

 Đối với tải ở mạch thứ cấp ta cũng có: Zt'K2.Z t (Zt = rt + jXttổng trở tải lúc chưa quy đổi)

*) Các phương trình quy đổi

Thay các đại lượng quy đổi vào các phương trình điện áp sơ cấp,thứ cấp và cân bằng sức từ động ở trên ta được hệ thống các phương trình đó viết dưới dạng quy đổi như sau:

Sau này việc nghiên cứu mba chủ yếu dựa vào các phương trình quy đổi

3.2.1 M ạch điện thay thế của máy biến áp

Dựa vào các phương trình s.t.d dưới dạng quy đổi, ta có thể suy ra một mạch

điện tương đương gọi là mạch điện thay thế của mba

Như vậy, ta đã thay thế mba thực gồm các mạch điện sơ cấp, thứ cấp riêng biệt

và mạch từ của nó bằng một mạch điện thống nhất gồm nhánh hai nhánh sơ cấp và thứ cấp có tổng trở: Z1 r1 jX1 và '

2 ' 2 '

X

, 2

R

R1 X1

 1

I

, 2

U

, 2 1

U

~

U

,

2 ,

, 2 , 2

r r

x x arctg

2 z I





, 2



 , 2

U





 , 2



 1

U

1

1r I





 , 1

E



 , 2



U

, 2



U

, 2 1







 I I

2



Hình 3.5: Đồ thị vectơ ứng với sơ đồ thay thế đơn giản, lúc tải điện cảm

3.4.1 Thí nghiệm không tải

Sơ đồ thí nghiệm như hình Đặt điện áp hình sin vào dây quấn sơ cấp với

U1 = U1đm Nhờ vào Vmet, Amet và Wmet sẽ đo được điện áp sơ cấp U1, thứ cấp

U20, dòng điện I0 và công suất P0 lúc không tải

Từ các số liệu thí nghiệm ta xác định được tổng trở, điện trở và điện kháng máy biến áp lúc không tải:

P

I và x0 = 2

0 2

z Ngoài ra còn xác định được tỉ số biến đổi của máy biến áp:

k =

20 1 2

1

U

U W

W

 và hệ số công suất lúc hông tải:

cos0 =

0 1

0

I U P

Lúc máy biến áp không tải, tức I’2 = 0, mạch điện thay thế của máy biến áp có dạng như hình trên Như vậy các tham số không tải z0, r0, x0 chính là:

z0 = z  z m

1 ; r0 = r1 + rm và x0 = x1 + xm Trong các máy biến áp điện lực thường r1 và x1 nhỏ hơn rất nhiều so với rm

và xm nên có thể xem tổng trở, điện trở và điện kháng không tải bằng các tham số từ hoá tương ứng:

z0  zm ; r0  rm và x0  xm Cũng vì lý do đó mà công suất lúc không tải P0, thực tế có thể xem là tổn hao sắt Pfe do từ trễ và dòng điện xoay chiều trong lõi thép gây nên

Hình 3.6: Sơ đồ thí nghiệm không tải

của MBA một pha Hình 3.7: Mạch điện thay thế của MBA lúc không tải

Vì điện áp sơ cấp đặt vào không thay đổi, nên P không thay đổi, nghĩa là tổn hao sắt, tổn hao không tải không thay đổi

Khi không tải ta có hệ phương trình:

3.4.2 Thí nghiệm ngắn mạch

Vì lúc ngắn mạch điện áp đặt vào rất bé nên từ thông chính lúc ngắn mạch rất bé, nghĩa là dòng điện từ hóa trong trường hợp này cũng rất bé Do đó mạch điện thay thế của máy biến áp có thể xem như hở mạch từ hoá và còn lại một mạch nối tiếp của hai tổng trở sơ cấp và thứ cấp Hay đơn giản hơn ta thay bằng một tổng trở đẳng trị gọi là tổng trở ngắn mạch của máy biến áp

Từ mạch điện thay thế lúc ngắn mạch ta thấy điện áp đặt vào lúc ngắn mạch hoàn toàn cân bằng với điện áp rơi trong máy biến áp, hay nói cách khác, điện áp ngắn mạch gồm hai thành phần:

Thành phần tác dụng:

unr = I1 rn:là điện áp rơi trên điện trở và thành phần phản kháng:

unx = I1 xn: là điện áp rơi trên điện kháng của máy biến áp

Như vậy điện áp ngắn mạch có thể xem như một đại lượng đặc trưng cho điện trở và điện kháng tản của dây quấn máy biến áp Trong các máy biến áp điện lực, điện áp ngắn mạch ghi trên nhãn máy và thường được biểu diễn bằng tỉ lệ phần trăm so với điện áp định mức:

dm

n dm

dm

n

U

z I U

U

và các thành phần điện áp ngắn mạch là:

dm

n dm

dm

nr

U

r I U

dm

nx

U

x I U

U



Câu hỏi và bài tập:

1 Viết các phương trình cơ bản của máy biến áp

2.Tổ nối dây của máy biến áp là gì? Tại sao phải xác định tổ nối dây

3 Nêu các kiểu đấu dây

4 Vẽ đồ thị véc tơ trong máy biến áp

5 Cách xác định các thơng số của máy biến áp

6 Cho một máy biến áp một pha cĩ các số liệu Sđm = 6637KVA, U1/U2 = 35/10KV, Pn = 53500W, un% = 8

a.Tính Zn, rn

b.Giả sử r1 = r2’ Tính điện trở khơng quy đổi của dây quấn thứ cấp

7 Cho một máy biến áp ba pha cĩ các số liệu sau đây: Sđm=5600KVA;

U1/U2=35000/66000V; I1/I2=92,5/420A; P0=18,5KW; I0=4,5%; Un=7,5%;

Pn=57KW; f=50Hz; Y/Δ-11

a Xác định các tham số lúc khơng tải Z0, r0, X0

b Xác định các tham số Zn, rn, Xnvà các thành phần điện áp ngắn mạch

Chương 4: MÁY BIẾN ÁP LÀM VIỆC Ở TẢI XÁC LẬP

ĐỐI XỨNG

4.1 GIẢN ĐỒ NĂNG LƯỢNG

Khi truyền tải điện năng, năng lượng qua máy biến áp sẽ có một phần công suất tác dụng và công suất phản kháng bị tiêu hao trong máy biến áp Ta xét sự cân bằng công suất phản kháng và công suất tác dụng trong máy biến áp Sự cân bằng này có thể suy ra từ mạch điện thay thế của máy biến áp ở hình vẽ

Gọi P 1 = U 1 I 1 cos 1 là công suất tác dụng đưa vào một pha của máy biến áp

Trong đó

U1 là điện áp pha của máy biến áp

I1 là dòng điện pha của máy biến áp

1 là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện ở mỗi pha của máy biến áp

Công suất tác dụng đưa vào ba pha của máy biến áp là

P1= m1U1I1cos1 Một phần công suất này bị tiêu hao trên điện trở của dây quấn sơ cấp

PCu1 = R1I12 và tổn hao trong mạch từ máy biến áp do dòng điện Fourcau làm nóng lõi thép PFer = RmI02

Pđt = E2’I2’cos2 (4–1)

2: là góc lệch pha giữa sức điện động Ė2’ và dòng điện I2’

Từ biểu thức trên, ta nhận thấy công suất đầu ra thứ cấp P2 của máy biến áp sẽ nhỏ hơn công suất điện từ do tổn hao trên điện trở của dây quấn thứ cấp

PCu2 = R2I22 Công suất tác dụng ở thứ cấp

P2 = Pđt- PCu2

P2 = U2’I2’cos2 (4–2) Tương tự, ta có công suất phản kháng đầu vào sơ cấp, một phần công suất phản kháng này tạo ra từ thông tản và một phần tạo ra từ thông trong lõi thép

Công suất phản kháng tạo ra từ thông tản sơ cấp

Qtản1 = I12X1 Công suất phản kháng tạo ra từ thông trong lõi thép

Qm = I02Xm Công suất phản kháng điện từ chuyển qua thứ cấp là hiệu số giữa công suất phản kháng đầu vào sơ cấp và công suất phản kháng tạo ra từ thông tản sơ cấp và công suất phản kháng tạo ra từ thông trong lõi thép

Qđt = Q1 – (Qtản1 - Qm )

Qđt = E2’I2’sin2 (4–4) Công suất phảnkháng để tạo ra từ thông

Qtản 2 = I2’2X2’

Công suất phản kháng ở 2 đầu cuộn dây thứ cấp

Q2 = Qđt - Qtản2 = U2’I2’sin2 (4–5) Khi tải có tính chất điện cảm thì nghĩa là Q1 > 0, Q2 >0 và 2 >0 Khi đó công suất phản kháng được truyền từ sơ cấp sang thứ cấp

Khi tải mang tính chất điện dung nghĩa là 2 <0, Q2 < 0 Có 2 trường hợp xảy

ra

Nếu Q1 < 0: Công suất phản kháng được truyền theo chiều ngược lại từ phía

thứ cấp sang sơ cấp Nếu Q1 > 0: Công suất phản kháng đều dùng từ hai phía thứ cấp và sơ cấp để

từ hoá lõi thép máy biến áp

Từ những lý luận trên, ta xây dựng được giản đồ năng lượng máy biến áp biểu diễn sự cân bằng công suất phản kháng và công suất tác dụng được biểu thị ở hình vẽ

Hình 4.2: Giản đồ năng lượng của máy biến áp

4.2 ĐỘ THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP VÀ CÁCH ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP

Chế độ có tải của máy biến áp là chế độ trong đó dây quấn sơ cấp nối vào nguồn điện áp định mức, dây quấn thứ cấp nối với tải

Khi máy biến áp làm việc, điện áp đầu ra U2 thay đổi theo trị số và tính chất của tải (tải mang tính cảm hay tính dung kháng) Sở dĩ có sự tay đổi điện áp ở thứ cấp là do có điện áp rơi trên các dây quấn sơ cấp và thứ cấp và do dòng điện tải I2

thay đổi theo tính chất của tải

Để đánh gía mức độ tải, nhười ta sử dụng hệ số tải kt:

Căn cứ vào giá trị ktải, ta biết được tình trạng của máy biến áp làm việc non tải, đầy tải hay quá tải

I

I I

Trong đó: kt =1 tải định mức ; kt  1 non tải ; kt  1 quá tải

4.2.1 Độ thay đổi điện áp

Theo định nghĩa: Hiệu số số học giữa các trị số của điện áp thứ cấp lúc không tải và lúc có tải U2 trong điều kiện U1đm không thay đổi gọi là độ thay đổi điện áp U của máy biến áp

Để nghiên cứu một số đặc tính làm việc của máy biến áp khi có tải, ta dựa vào các phương trình cân bằng sđđ và sơ đồ thay thế của máy biến áp Như đã trình bày ở trên, khi tải thay đổi sẽ làm cho điện áp thứ cấp Ů2 thay đổi

Gọi U2 là độ biến thiên điện áp thứ cấp khi điện áp sơ cấp là định mức

U2 = U2đm – U2 Độ biến thiên điện áp tứ cấp phần trăm, được xác định như sau

P1  jQ1

Pcu1  jq1

PFe  jqm Pcu2  jq2

Pđt  jQđt P2  jQ2

Để tính U2, ta chiếu vector điện áp Ů1 lên trục của vector Ů2’ Theo hình trên

ta thấy góc lệch pha giữa vector điện áp Ů1 và vector điện áp thứ cấp qui đổi Ů2’ không lớn nên để đơn giản ta có thể xem gần đúng Ů1đm = OB = OC

Suy ra Ů1đm – Ů 2’ = AC = AB cos(φn – φt)

Ů1đm – Ů 2’ = I1Zn cos(φn – φt)

Ů1đm – Ů 2’ = I1Zn cosφn cosφt - sinφn sinφt

Trong đó

φn: là góc của tổng trở ngắn mạch

φt: là góc lệch pha giữa điện áp Ů2 và dòng điện2 Đây chính là góc của tổng trở tải

φt = arctg RXtải

tải

Do đó độ biến thiên điện áp được viết lại như sau:

U2 = I1Zn cosφn cosφt + I1Zn sinφn sinφt