Bài giảng Máy điện cơ sở

GIỚI THIỆU CHUNGCung cấp kiến thức cơ bản về máy điện gồm máy biến áp và các loại máy điện quay:  Nhận diện được từng loại máy điện trong thực tế, nắm được các thông số kỹ thuật cơ bản

Trang 1

GIỚI THIỆU CHUNG

Cung cấp kiến thức cơ bản về máy điện (gồm máy biến

áp và các loại máy điện quay):

 Nhận diện được từng loại máy điện trong thực tế, nắm được các thông số kỹ thuật cơ bản của từng loại máy và các mối quan hệ giữa các thông số đó.

 Hiểu rõ cấu tạo và nguyên lý làm việc của các loại máy điện.

 Phân tích các quá trình vật lý, các đặc tính tĩnh và động của máy điện ở các chế độ làm việc khác nhau.

Mô tả học phần

Trang 2

Nhiệm vụ của sinh viên:

 Dự lớp đầy đủ theo quy định.

 Hoàn thành các bài tập được giao.

Đánh giá kết quả:

 Điểm quá trình: trọng số 0.30

- Bài tập làm đầy đủ

- Làm thí nghiệm đầy đủ, có báo cáo và bảo vệ

- Kiểm tra giữa kỳ

 Thi cuối kỳ (trắc nghiệm và tự luận): trọng số 0.7

Thông tin chung về môn học

Tài liệu tham khảo:

1 Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu, Máy điện tập 1 & 2 , nhà xuất bản KHKT.

2 Stephen J.Chapman, Electric machinery fundamentals , Mc Graw Hill

3 A E Fitzgerald, Electric machinery , Mc Graw Hill

4 Ion Boldea, The induction machines design handbook , Mc Graw Hill.

5 D.P Kothari, Electric machines , Mc Graw Hill

6 Turan Gonen, Electrical machines with Matlab , CRC press

Thông tin chung về môn học

Trang 3

MỞ ĐẦU

0.1 TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐIỆN

0.2 CÁC LOẠI VẬT LIỆU DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN

NỘI DUNG

0.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MÁY ĐIỆN

0.3 CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN TRONG NGHIÊN CỨU MÁY ĐIỆN

 Động cơ điện so với động cơ đốt trong

 Về sản xuất năng lượng điện

Trang 4

0.1 TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐIỆN

MỞ ĐẦU

Máy điện Máy điện tĩnh

Máy biến áp

Cuộn kháng điện

Máy điện quay

Máy điện xoay chiều Máy điện không đồng bộ Máy điện đồng bộ

Máy điện 1 chiều

0.2 CÁC ĐỊNH LUẬT DÙNG ĐỂ NGHIÊN CỨU MÁY ĐIỆN

MỞ ĐẦU

● Định luật cảm ứng điện từ

+/ Trường hợp từ thông Φ biến thiên xuyên qua vòng dây.

Khi từ thông Φ xuyên qua vòng dây biến thiên trong vòng dây sẽ cảm ứng sức điện động e Chiều của e xác định theo quy tắc vặn nút chai Sđđ cảm ứng trong vòng dây được tính theo công thức Maxwell:

dt

d dt

d w

w

Khi mô tả MBA

Trang 5

MỞ ĐẦU

● Định luật cảm ứng điện từ

+/ Trường hợp thanh dẫn chuyển động trong từ trường

Khi thanh dẫn chuyển động với vận tốc v vuông góc với đường sức từ trường, trong thanh dẫn cảm ứng sđđ có trị số là:

+

.

i

i l

a

b

c d

i : dòng điện chạy trong thanh dẫn [A]

l : chiều dài thanh dẫn [m]

B X C

Trang 6

MỞ ĐẦU

● Định luật toàn dòng điện:

Tích phân cường độ từ trường theo một đường khép kín bất kỳ quanh một số mạch điện bằng tổng dòng điện trong w vòng dây của các mạch.

 H dl   i  i w  F

i w

l (L)

CHƯƠNG O: MỞ ĐẦU

● Vật liệu dẫn điện

Vật liệu dẫn điện dùng để chế tạo các bộ phận

dẫn điện Vật liệu dẫn điện thường dùng là đồng và

nhôm vì chúng có điện trở suất nhỏ, giá cả phải

chăng.

Đồng có điện trở suất nhỏ ρCU< ρAl, chịu gia

công cơ khí nhưng đắt và nặng hơn nhôm.

Trang 7

MỞ ĐẦU

● Vật liệu dẫn từ

Vật liệu dẫn từ dùng để chế tạo mạch từ của

máy điện Có nhiều loại vật liệu dẫn từ khác nhau:

thép lá kỹ thuật điện, thép đúc, thép rèn…nhưng chủ

yếu là thép lá kỹ thuật điện dày 0,27÷0,5 mm có

+ Độ từ thẩm lớn

+ Tổn hao công suất nhỏ

pha thêm Silic (2 - 4.5%)

sơn cách điện Để  tổn hao do dòng điện xoáy và từ trễTheo cách chế tạo thép kỹ thuật điện gồm 2 loại:

Trang 8

● Vật liệu cách điện

Để cách điện giữa các phần mang điện với nhau và với các phần không mang điện của máy Vật liệu cách điện trong máy điện phải có cường độ cách điện cao, chịu nhiệt tốt, độ dẫn nhiệt tốt, chống ẩm và bền

Trang 9

; P

P P

; U

U U

; I

I I

đm

* đm

18

0.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MÁY ĐIỆN

MỞ ĐẦU

Việc nghiên cứu máy điện gồm các bước sau:

1 Nghiên cứu các hiện tượng vật lý xảy ra trong máy điện.

2 Lập mô hình toán, đó là hệ phương trình toán học mô tả sự làm việc của máy điện.

3 Từ mô hình toán thiết lập mô hình mạch, đó là sơ đồ thay thế của máy điện.

4 Từ mô hình toán và mô hình mạch, tính toán các đặc tính và nghiên cứu máy điện, khai thác sử dụng theo các yêu cầu cụ thể.

Z I E U

2 0 1

2 2 2 '

2

1 1 1 1

Trang 10

BÀI GIẢNG

Máy điện cơ sở

EE3140

1.1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP

• VAI TRÒ VÀ CÔNG DỤNG CỦA MÁY BIẾN ÁP

• NGUYÊN LÍ LÀM VIỆC CƠ BẢN CỦA MÁY BIẾN ÁP

NỘI DUNG

• PHÂN LOẠI MÁY BIẾN ÁP

• CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐỊNH MỨC CỦA MÁY BIẾN ÁP

• CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP

• ĐỊNH NGHĨA MÁY BIẾN ÁP

Trang 11

VAI TRÒ VÀ CÔNG DỤNG CỦA MÁY BIẾN ÁP

● Máy biến áp có vai trò quan trọng trong hệ thống điện, dùng để truyền tải

và phân phối điện năng Để dẫn điện từ nhà máy điện đến hộ tiêu thụ cần phải có đường dây tải điện.

Ta có công suất truyền tải trên đường dây:

S = U.I

Nếu U  thì I 

 tiết diện dây Sd

 tổn thất năng lượng ∆P = I 2 R 

 tổn thất điện áp ∆U = I.R 

Trang 12

VAI TRÒ VÀ CÔNG DỤNG CỦA MÁY BIẾN ÁP

● MBA sử dụng - trong các thiết bị lò nung: MBA lò

- trong hầm mỏ: MBA mỏ

- trong hàn điện: MBA hàn điện

- trong đo lường, thí nghiệm: máy biến điện áp…

Mining transformers

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.

ĐỊNH NGHĨA MÁY BIẾN ÁP

Cách ký hiệu các đại lượng, thông số sơ cấp và thứ cấp:

- Dây quấn sơ cấp: w1, U1, I1, P1

- Dây quấn thứ cấp: w2, U2, I2, P2

MBA 2 dây quấn ?

Dây quấn sơ cấp ?

Dây quấn thứ cấp ?

Trang 13

ĐỊNH NGHĨA MÁY BIẾN ÁP

MBA dùng trong hệ thống điện lực gọi là MBA điện lực hay MBA công suất Ngoài ra còn có các loại MBA dùng trong các ngành chuyên môn như: MBA chuyên dùng cho các lò luyện kim, khai khoáng, MBA hàn…

MBA 3 dây quấn ?

Dây quấn thứ 3 với điện áp trung bình

Tùy vào số pha của cuộn dây có:

NGUYÊN LÍ LÀM VIỆC CƠ BẢN CỦA MÁY BIẾN ÁP

Xét 1 MBA một pha hai dây quấn CA và HA có sơ đồ nguyên lý:

Đặt điện áp ~u1vào dây quấn sơ cấp

Có dòng điện trong dây quấn sơ cấp? dòng ~ i1?

Từ thông biến thiên trong mạch từ?

Khi nào xuất hiện suất điện động cảm ứng trong dây quấn? e1và e2

Trang 14

NGUYÊN LÍ LÀM VIỆC CƠ BẢN CỦA MBA

Nếu cuộn thứ cấp nối với tải → i2 i2→ Φ2.

→ từ thông tổng Φ = Φ1+ Φ2

Nếu u1là hàm hình sin → Φ cũng sin: Φ = Φm.sint ;  = 2f

Từ thông chính khép kín trong mạch từ móc vòng với cả hai dây quấn Theo định luật cảm ứng điện từ có:

) 2 t sin(

E 2 ) 2 t sin(

w

t cos w dt

d w e

1 m

1

m 1 1

E 2

e2 2  

NGUYÊN LÍ LÀM VIỆC CƠ BẢN CỦA MÁY BIẾN ÁP

Trong đó E1, E2là giá trị hiệu dụng của các sđđ dây quấn 1 và 2:

m 1 m

1 m

1

1 4 , 44 f w

2

w f.

2 2

w

m 2

E

2

1 2

1  

Nếu bỏ qua điện áp rơi trên các dây quấn ta có :

2

2 1

1 2

1

w

U w

U U

U E

E w

w

k      : số vôn_vòng

Điện áp cảm ứng trên mỗi vòng dây sơ cấp và thứ cấp bằng nhau.

Kết luận gì?

Trang 15

CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐỊNH MỨC CỦA MÁY BIẾN ÁP

12

CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐỊNH MỨC CỦA MÁY BIẾN ÁP

1 Dung lượng (công suất định mức): Sđm(VA hay kVA)

2 Điện áp định mức sơ cấp: U1đm= U1(V, kV)

3 Điện áp định mức thứ cấp: U2đm= U20(V hay kV)

4 Dòng điện định mức sơ cấp I1đmvà thứ cấp I2đm(A hay kA)

Đối với MBA một pha:

đm 2

đm đm 2 đm 1

đm đm

S I

; U

S

Đối với MBA ba pha:

đm 2

đm đm

2 đm 1

đm đm

S I

; U 3

S

5 Tần số định mức fđm(Hz) Thường fđm= 50Hz.

Ngoài ra trên nhãn MBA còn ghi các số liệu khác như: số pha m, sơ

đồ và tổ nối dây, điện áp ngắn mạch un%

Trang 16

PHÂN LOẠI MÁY BIẾN ÁP

• Theo kiểu máy biến áp dầu hay khô? Kiểu hở hay kiểu kín?

• Theo số pha 1-3 pha?

• Theo tần số?

• Theo cấp điện áp?

• Theo vị trí trong mạng truyền tải hay phân phối?

• Theo công dụng?

PHÂN LOẠI MÁY BIẾN ÁP

Theo công dụng:

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

2 MBA chuyên dùng: sử dụng ở lò luyện kim, các thiết bị chỉnh lưu, MBA hàn

3 MBA tự ngẫu: dùng để mở máy động cơ không đồng bộ công suất lớn.

4 MBA đo lường: dùng để giảm các điện áp và dòng điện lớn đưa vào các đồng hồ đo tiêu chuẩn.

5 MBA thí nghiệm dùng để thí nghiệm điện áp cao.

MBA có nhiều cách phân loại và có rất nhiều loại song thực chất hiện tượng xảy ra trong chúng đều giống nhau Để thuận tiện cho việc nghiên cứu, các phần sau ta xét MBA điện lực hai dây quấn một pha và ba pha.

Trang 17

CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP

Phần chính trong MBA gồm: phần tác dụng ( lõi thép và dây quấn) và phần kết cấu ( vỏ máy và các chi tiết khác)

16

● Lõi thép:

Lõi thép MBA là một mạch từ khép kín dùng để dẫn từ thông, đồng thời

là khung để quấn dây quấn Được chế tạo bằng các vật liệu dẫn từ tốt, thường là thép kỹ thuật điện có bề dày từ 0,35 mm, mặt ngoài các lá thép có sơn cách điện rồi ghép lại với nhau thành lõi thép.

Trang 18

Lõi thép có các loại kết cấu nào?

- Kiểu trụ: dây quấn bao quanh trụ thép

Trang 19

● Lõi thép:

- Kiểu bọc: lõi sắt bọc xung quanh dây quấn

20

● Lõi thép:

Các loại kết cấu lõi thép:

- Kiểu trụ - bọc: ở các MBA công suất lớn, để giảm chiều cao trụ thép, thuận tiện cho việc vận chuyển, mạch từ của MBA kiểu trụ được phân nhánh sang hai bên nên MBA có kết cấu vừa kiểu trụ, vừa kiểu bọc, gọi là MBA kiểu trụ bọc.

Trang 20

có bọc cách điện Xét MBA 2 dây quấn, mỗi pha có 2 dây quấn CA và HA Hai

● Dây quấn

1 Dây quấn đồng tâm:

Có tiết diện ngang là những vòng tròn đồng tâm

Những kiểu dây quấn đồng tâm chính gồm:

a/ Dây quấn hình trụ: dùng cho cả dây quấn hạ áp và cao áp Với dòng điện nhỏ thì dùng dây tròn quấn thành nhiều lớp, với dòng điện lớn thì dùng dây dẹt quấn thành hai lớp.

Trang 21

● Dây quấn

1 Dây quấn đồng tâm:

b/ Dây quấn hình xoắn: thường dùng cho dây quấn hạ áp Gồm nhiều dây bẹt chập lại quấn theo đường xoắn ốc.

c/ Dây quấn hình xoáy ốc liên tục: chủ yếu dùng cho dây quấn CA Dây được quấn thành những bánh dây phẳng cách nhau bằng rãnh hở.

24

● Dây quấn

2 Dây quấn xem kẽ:

Các bánh dây CA và HA lần lượt xen kẽ nhau dọc theo trụ thép.

Trang 22

● Phần kết cấu:

1 Thùng MBA:

- Thùng MBA làm bằng thép, có tiết diện hình chữ nhật hoặc ôvan.

- Trong thùng MBA đặt lõi thép, dây quấn và dầu biến áp.

- Dầu biến áp làm nhiệm vụ tăng cường cách điện và tản nhiệt.

Trang 23

● Phần kết cấu:

2 Nắp thùng MBA: đậy trên thùng và có các bộ phận quan trọng như:

- Sứ ra của dây quấn CA và HA

- Bình dãn dầu (bình dầu phụ)

- Ống bảo hiểm

- 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.

Trang 25

• Các phương trình cơ bản của máy biến áp

• Quy đổi máy biến áp

• Sơ đồ mạch điện thay thế và đồ thị vector của

máy biến áp

• Xác định các tham số của máy biến áp bằng thí

nghiệm

Trang 26

STĐ tổng  từ thông chính Φ khép mạch qua lõi

thép móc vòng với cả dây quấn sơ và thứ.

 e1 và e2:

3

dt

d dt

d w

2

2    

Các phương trình cơ bản của máy biến áp (2)

1,  2 là từ thông móc vòng với dây quấn sơ cấp và

thứ cấp ứng với từ thông chính Φ:

1= L 11 i 1 + L 21 i 2

2= L12.i1+ L22.i2

L11, L22: điện cảm của dây quấn sơ cấp và thứ cấp bởi

từ thông chính do dòng điện chính nó sinh ra.

L 12 , L 21 : điện cảm hỗ cảm giữa hai dây quấn sơ cấp và

thứ cấp bởi từ thông chính do dòng điện không phải

di L e

dt

di L dt

di L e

1 12

2 22 2

2 21

1 11 1

Trang 27

d w e

dt

d dt

d w e

2 2

2

1 1

1 (hay  t1 ) và  2 ( hay  t1 ): từ thông tản móc vòng

với dây quấn sơ cấp và dây quấn thứ cấp.

2 2 2

1 1 1

dt

di L e

2 2 2

1 1 1

• Phương trình cân bằng điện áp:

Phương trình cân bằng điện áp dây quấn sơ cấp:

2 2

1 1 2 1

1 1

r i dt

di M dt

di L u

r i dt

di M dt

di L

u

r 1 , r 2 là điện trở của dây quấn sơ cấp và thứ cấp

L 1 = L 11 + L 1 là điện cảm toàn phần của dq sơ cấp

L 2 = L 22 + L 2 là điện cảm toàn phần của dq thứ cấp

- Phương pháp giải?

- Sử dụng trong trường hợp nào?

Trang 28

• Phương trình cân bằng điện áp:

Nếu như điện áp, sđđ, dòng điện  sin?  phức hóa?

Sđđ cảm ứng bởi từ thông chính :

7

M I.

j L I.

j E

M I.

j L I.

j E

1 22 2 2

2 11 1 1

1 1 1 1 1

x I.

j L I.

j E

x I.

j L I.

j E

) jx r I E U

2 2 2 2 2

1 1 1 1 1

- Sử dụng trong trường hợp nào?

• Phương trình cân bằng sức từ động (dòng điện):

Từ phương trình cân bằng điện áp:

U 1   1 1 1 1

m 2

2 1 1 2 1 2

2 2 2

1 1 1

w i F i

0 w i w i w

Khi i  sin: I 0 w1   I1 w1 I 2 w2

2 1 2

1 1

2 2 1

k

1 I I w

w I I



Trang 29

• Phương trình cân bằng sức từ động( dòng điện):

Ý nghĩa :

+/ i0là dòng từ hóa trong MBA, là dòng điện cần thiết

sinh ra công suất phản kháng để từ hóa lõi sắt MBA.

+/ Ta có i 0 = const

 i 1 gồm 2 thành phần:

- Thành phần thứ 1 sinh ra dòng từ hóa i0 để từ

hóa lõi thép MBA

- Thành phần thứ 2 sinh ra dòng bù lại sự thay đổi

của dòng điện tải ( tỉ lệ với tải) để i 0 = const

9

) I ( I I I I

• Sơ đồ mạch điện thay thế và đồ thị vectơ của

máy biến áp

nghiệm

Trang 30

Quy đổi máy biến áp (2)

Quy đổi một trong hai dây quấn về dây quấn kia  ta có

hai kiểu quy đổi:

Quy đổi dây quấn thứ cấp về dây quấn sơ cấp

Quy đổi dây quấn sơ cấp về dây quấn thứ cấp

Thường quy đổi dây quấn thứ cấp về dây quấn sơ cấp

vì điện áp sơ cấp không đổi Quy đổi w2 w’2= w1

• Sức điện động và điện áp thứ cấp quy đổi E’2và U’2:

12

2 2 2

1 2 m

2 2

m 1 m

2

w

w E

w f.

44 ,

4

E

w f.

44 , 4 w f.

44 ,

E I.

2 2 2 2

2      

Trang 31

Quy đổi máy biến áp (3)

• Điện trở, điện kháng và tổng trở thứ cấp quy đổi:

13

• Mô hình toán sau khi quy đổi:

2

2 2 2

Z I E U

2 0

1

2 2 2

'

2

1 1 1 1

máy biến áp

nghiệm

Trang 32

Sơ đồ thay thế máy biến áp (1)

Mỗi dây quấn của mba được biểu diễn làm 2 phần:

Phần mô tả ngoài lõi sắt:

E’ 2 = E 1 ?  Khi chập 2 đầu dây quấn tương ứng?

i o ngược chiều e 1

Nhánh từ hóa Trong đó:

đặc trưng cho tổn hao sắt khi từ hóa

do dòng xoáy và từ trễ.

m 0

Fe

m m I.

p

r 

Trang 33

điện kháng từ hóa, đặc trưng cho CSPK cần

thiết để từ hóa lõi sắt xm>> rm

I0rất nhỏ  coi nhánh từ hóa hở mạch  sơ đồ mạch

điện thay thế đơn giản:

Trang 34

Đồ thị véctơ của máy biến áp (1)

• Hai trường hợp của tải: có tính cảm ( RL) và tính dung

máy biến áp

nghiệm

Trang 35

Xác định các tham số của MBA bằng TN (1)

• Thí nghiệm không tải:

Trang 36

• Thí nghiệm không tải:

0 0 0

2 0 m 1

I ) r r (

I

0

đm 1

x    

20

đm 1 2

1

U

U w

w

k  

o 1dm

o

0 U I

P cos   100

- Các thiết bị đo nào?

Trang 37

n n n

2 n 2 1

2 n

P r r.

I ) r r (

I

2 n

r r r

2

x x x

n 2 1

• Thí nghiệm ngắn mạch:

26

Từ thí nghiệm không tải  x m , r m

Các mba thường cho

2 thành phần điện áp ngắn mạch:

Tp tác dụng: Unr= I1.rnlà điện áp rơi trên điện trở

Tp phản kháng:U nx = I 1 x n là điện áp rơi trên điện kháng

Tam giác ngắn mạch:

100

UU

%

U

đm 1

x ( arctg

) I , U arg(

n

n n

n n n









Trang 38

• Giản đồ năng lượng của máy biến áp

• Độ thay đổi điện áp thứ cấp và các phương

pháp điều chỉnh điện áp của máy biến áp

• Tổn hao và hiệu suất của máy biến áp

Trang 39

Giản đồ năng lượng của máy biến áp (1)

1 1

f 1 f 1

- Tổn hao trong lõi sắt: p Fe m I.20 r.m

- Công suất điện từ: Pđt  P1 pcu1 pFe

Trang 40

5

- Tổn hao đồng: pcu2  m I 22 r.2

- Công suất ở đầu ra của mba:

2 2

cu đt

f 1 f 1

2 1

1 2

sin

3 U I 

q Q q Q

- Khi tải có tính cảm 2 > 0 → Q2> 0, lúc đó Q1> 0  công suất phản kháng truyền từ dq sơ cấp sang dq thứ cấp

- Khi tải có tính dung 2 < 0 → Q2< 0

Q1< 0: công suất phản kháng truyền từ dq thứ cấp sang dq sơ cấp

Q1> 0: MBA lấy công suất phản kháng từ phía sơ cấp

Tiêu đề	Bài Giảng Máy Điện Cơ Sở
Tác giả	Vũ Gia Hanh, Trần Khỏnh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sỏu
Trường học	nhà xuất bản KHKT
Chuyên ngành	máy điện
Thể loại	bài giảng

Định dạng
Số trang	170
Dung lượng	3,32 MB