Giáo trình Máy điện 1 (Nghề Điện công nghiệp CĐTC)

UỶ BAN NHÂN DÂN TỈNH ĐỒNG THÁP
TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ ĐỒNG THÁP

GIÁO TRÌNH
MƠN HỌC/MƠ ĐUN: MÁY ĐIỆN 1
NGÀNH, NGHỀ: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP
TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG, TRUNG CẤP

(Ban hành kèm theo Quyết định Số: 257 /QĐ-TCĐN-ĐT ngày 13 tháng 7 năm 2017
của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng nghề Đồng Tháp)

Đồng Tháp, năm 2017


Bài giảng: MÁY ĐIỆN 1
BÀI 1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN.
1.1- Các định luật điện từ dùng trong máy điện:
Nguyên lý làm việc của tất cả các máy điện đều dựa trên cơ sở 2 định luật
cảm ứng điện từ và lực điện từ. Khi tính toán mạch điện từ người ta sử
dụng định luật dòng điện toàn phần.
1.1.1- Lực từ:
Khi thanh dẫn mang dòng điện đặt thẳng
góc với đường sức từ trường thanh dẫn sẽ chịu 1 lực
điện từ tác dụng vuông góc có trị số là:
Fđt = Bli
Trong đó: B: từ cảm đo bằng Tesla (T).
I: dòng điện đo bằng Ampe (A).
Fđt : lực điện từ đo bằng Niutơn (N).
Chiều lực điện từ được xác định theo qui
tắc bàn tay trái.
1.1.2- Hiện tượng cản ứng điện từ:

Năm 1831, Faraday đã chứng tỏ bằng thực nghiệm rằng từ trường có thể sinh ra dịng
điện. Thực vậy, khi cho từ thơng gửi qua một mạch kín thay đổi thì trong mạch xuất
hiện một dịng điện. Dịng điện đó được gọi là dịng điện cảm ứng. Hiện tượng đó được
gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ.
1.1.2.1- Thí nghiệm Faraday

1


Bài giảng: MÁY ĐIỆN 1

- Nếu rút thanh nam châm ra, dịng điện cảm ứng có chiều ngược lại (hình 15.1b)
lớn.

- Di chuyển thanh nam châm càng nhanh, cường độ dòng điện cảm ứng Ic càng

- Giữ thanh nam châm đứng yên so với ống dây, dòng điện cảm ứng sẽ bằng
không.
- Nếu thay nam châm bằng một ống dây có dịng điện chạy qua, rồi tiến hành các
thí nghiệm như trên, ta cũng có những kết quả tương tự.
Từ các thí nghiệm đó, Faraday đã rút ra những kết luận sau đây:
a. Từ thơng gửi qua mạch kín biến đổi theo thời gian là nguyên nhân sinh ra dòng
điện cảm ứng trong mạch đó.
đổi.

b. Dịng điện cảm ứng chỉ tồn tại trong thời gian từ thông gửi qua mạch kín biến
c. Cường độ dịng điện cảm ứng tỉ lệ thuận với tốc độ biến đổi của từ thông.

d. Chiều của dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào sự tăng hay giảm của từ thông gửi
qua mạch.

2


Bài giảng: MÁY ĐIỆN 1

Mặt khác, trong quá trình dịch chuyển vịng dây nói trên, ta đã tốn một cơng cơ
học. Gọi cơng đó là dA'. Theo định luật Lenz, lực từ tác dụng lên dịng điện cảm ứng sẽ
có tác dụng ngăn cản sự dịch chuyển của vòng dây là ngun nhân xuất hiện của dịng
điện đó. Vì vậy công của lực từ dA là công cản. Công này có trị số bằng nhưng ngược
dấu với cơng dA'. Ta có thể viết:

1.1.3- Sức điện động cảm ứng khi dây dẫn căt từ trường:
a. Trường hợp từ thông  biến thiên xuyên qua vòng dây:
Khi từ thông  biến thiên xuyên qua vòng dây
thì trong vòng dây sẽ xuất hiện sức điện động. Nếu chiều
sức điện động cảm ứng được chọn phù hợp với chiều của
3


Bài giảng: MÁY ĐIỆN 1
từ thông theo qui tắc vặn nút chai, thì sức điện động cảm ứng trong 1
vòng dây được viết như sau:
d
e
dt
Trên hình vẽ, dấu cộng + chỉ chiều từ thông đi từ ngoài vào trang
giấy. Nếu cuộn dây có w vòng thì sức điện động cảm ứng trong cuôn dây
sẽ là:
wd

d
e

đơn vị của e là volt (v), từ thông là vebe (wb)
dt
dt
Trong đó = w gọi là từ thông móc vòng của cuộn dây.
b. Trường hợp thanh dẫn chuyển động trong từ
trường:
Khi thanh dẫn chuyển động vuông góc với đường
sức từ trường thì trong thanh dẫn sẽ cảm ứng sức
điện động e, có trị số là:
e = Blv.
Trong đó B: là từ cảm đo bằng Tesla (T).
l: chiều dài hiệu dụng của thanh dẫn.
đo bằng mét (m).
v: tốc độ thanh dẫn đo bằng mét/ giây (m/s).
Chiều của sức điện động cảm ứng từ được xác địng theo qui tắc
bàn tay phải.
1.1.4- Tự cảm và hổ cảm:
1.1.4.1- Tự cảm:
a. Thí nghiệm:
Trong thí nghiệm Faraday, dịng điện cảm ứng xuất hiện là do sự biến đổi từ
thông gửi qua diện tích của mạch gây ra. Từ thơng đó do từ trường bên ngoài tạo nên.
Bây giờ, nếu ta làm thay đổi cường độ dịng điện sẵn có trong mạch để từ thơng
do chính dịng điện đó sinh ra và gửi qua diện tích của mạch thay đổi, thì trong mạch
cũng xuất hiện một dòng điện cảm ứng, phụ thêm vào dịng điện chính sẵn có của mạch.
Dịng điện cảm ứng này gọi là dòng điện tự cảm. Hiện tượng đó được gọi là hiện tượng
tự cảm.
Hiện tượng tự cảm xuất hiện trong một mạch kín có dịng điện xoay chiều chạy

qua, hoặc trong một mạch điện một chiều khi ta đóng mạch hay ngắt mạch.

4


Bài giảng: MÁY ĐIỆN 1

Hình 15.6

b. Suất điện động tự cảm và hệ số tự cảm
Suất điện động gây nên dòng điện tự cảm được gọi là suất điện động tự cảm. Theo
định luật cơ bản của hiện tượng cảm ứng điện từ, biểu thức của suất điện động tự cảm là:

Như vậy: suất điện động tự cảm tỉ lệ thuận với tốc độ biến đổi của cường độ dòng
điện trong mạch. Dấu trừ (-) trong công thức (15.6) chứng tỏ: suất điện động tự cảm bao
giờ cũng có tác dụng chống lại sự biến đổi của cường độ dòng điện trong mạch.
1.1.4.2- Hổ cảm:
a. Thí nghiệm:

5


Bài giảng: MÁY ĐIỆN 1

b. Suất điện động hỗ cảm. Hệ số hỗ cảm

Suất điện động gây ra dòng điện hỗ cảm được gọi là suất điện động hỗ cảm. Cơng
thức của nó cũng tn theo định luật cơ bản của hiện tượng cảm ứng điện từ, nghĩa là:

6

Bài giảng: MÁY ĐIỆN 1

So sánh các công thức (15.9) với công thức (15.5) ta nhận thấy rằng: hệ số hỗ
cảm M có cùng đơn vị như hệ số tự cảm L, nghĩa là cũng được tính ra Henry.
Hiện tượng hỗ cảm được ứng dụng để chế tạo máy biến thế. Ðó là một dụng cụ rất
quan trọng trong kỹ thuật điện.

7


Bài giảng: MÁY ĐIỆN 1
1.2- Định nghĩa và phân loại máy điện:
1.2.1- Định nghi฀a:
Máy điện là thiết bị điện từ , nguyên lý làm việc dựa vào hiện
tượng cảm ứng điện từ. Về cấu tạo, máy điện gồm mạch từ (lõi thép) và
mạch điện (các dây quấn), dùng để biến đổi năng lượng như cơ năng
thành điện năng (máy phát điện) hoặc biến đổi ngược lại biến đổi điện
năng thành cơ năng (động cơ điện), hoặc để biến đổi thông số điện như
biến đổi điện áp, dòng điện, tần số, số pha,…
Máy điện là máy thường gặp nhiều trong các ngành kinh tế như
công nghiệp, giao thông vận tải… và trong các dụng cụ sinh hoạt gia đình.
1.2.2- Phân loại:
Máy điện có nhiều loại, nhưng ở đây ta chỉ phân loại dựa trên
nguyên lý biến đổi điện năng như sau:
a. Máy điện tónh:
Máy điện tónh thường găp là máy biến áp. Nó dùng để biến đổi
thông số điện năng. Ví dụ máy biến áp biến đổi điện năng có thông số
U1, I1, f thành điện năng có thông số U2, I2, f.

b. Máy điện có phần động (quay hoặc chyển động thẳng).
Loại máy điện này thường để biến đổi các dạng năng lượng như
cơ năng thành điện năng (máy phát điện) hoặc ngược lại điện năng thành
cơ năng (động cơ điện). Nó làm việc dựa trên 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.
Sơ đồ phân loại máy điện thông dụng thường gaëp:

8


Bài giảng: MÁY ĐIỆN 1
1.3- Nguyên lý máy phát điện và động cơ điện:
1.3.1- Nguyên lý máy phát điện và động cơ điện:
1.3.2- Tính thuận nghịch của máy điện:
1.3.2.1- Chế độ máy phát:
Cho cơ năng của động cơ sơ cấp tác dụng
vào thanh dẫn một lực cơ học Fcơ thanh dẫn sẽ
chuyển động với tốc độ v trong từ từ trường của
nam châm N – S , trong thanh dẫn sẽ xuất hiện
sức điện động e. Nếu nối vào 2 cực của thanh
dẫn 1 điện trở R của tải thì dòng điện I chạy
trng thanh dẫn sẽ cung cấp điện cho tải. Nếu bỏ
qua điện trở thanh dẫn thì điện áp đặt vào tải
u= e. Công suất điện máy phát cho tải
Pđ =ui =ei.
Dòng điện I nằm trong từ trường sẽ chịu tác dụng của lực điện từ
Fđt = Bil. Khi máy quay với tốc độ không đổi thì lực điện từ sẽ cân bằng
với lực cơ của động cơ sơ cấp: Fđt = Fcơ
Nhân 2 vế với v ta được: vFđt = vFcơ = Bilv =ei.

Như vậy công suất cơ của động cơ sơ cấp Pcơ = Fcơ .v đã được biến đổi
thành công suất điện Pđ =ei nghóa là cơ năng biến thành điện năng.
1.3.2.2- Chế độ động cơ điện:
Cung cấp 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 vẽ.
Công suất điện đưa vào động cơ:
P = ui = ei = Blvi = Fđt v
Như vậy công suất điện P = ui đưa vào
động cơ đã được biến thành công suất cơ P cơ = Fđt v trên trục động cơ.
Điện năng đã được biến đổi thành cơ năng.
1.4- Sơ lược về các vật liệu chế tạo máy điện:

9


Bài giảng: MÁY ĐIỆN 1
+ Vật liệu tác dụng: gồm vật liệu dẫn điện và dẫn từ chủ yếu để chế tạo dây quấn và
lõi thép.
+ Vật liệu cách điện dùng để cách điện các bộ phận dẫn điện và không dẫn điện hoặc
các bộ phận dẫn điện với nhau.
+ Vật liệu kết cấu dùng để chế tạo các chi tiết máy và bộ phận chịu lực tác dụng cơ
giới. Ta xét sơ lược đặc tính của vật liệu dẫn từ, dẫn điện cách điện dùng trong chế tạo
máy điện.
1.4.1- Vật liệu dẫn từ:
Người ta dùng những lá thép kĩ thuật, thép lá thông thường là thép đúc, thép rèn để
chế tạo mạch từ.

Các lá thép kĩ thuật điện (tôn silic) thường có mã hiệu: 11, 12, 13, 22, 32, 310
Trong đó:
+  chỉ lá thép kĩ thuật.
+ Số thứ nhất chỉ hàm lượng tôn silic chứa trong thép, số càng cao hàm lượng silic
càng nhiều thép dẫn từ tốt nhưng giòn dễ gãy.
+ Số thứ hai chỉ chất lượng thép về mặt tổn hao, số càng cao tổn hao càng ít.
+ Số thứ ba số 0 chỉ cho thép cán nguội (thép dẫn có hướng) thường sử dụng chế tạo
máy biến áp.
Ngoài ra các lõi thép kĩ thuật điện cịn mang mã hiệu 3404, 3405…3408 có chiều dày
0,3 mm; 0,35 mm.
Để giảm tổn hao do dịng điện xốy, các lá tôn silic trên thường phủ một lớp sơn cách
điện mỏng sau đó mới được ghép chặt với nhau, từ đó sinh ra hệ số ép chặt Kc : là tỉ số
giữa chiều dài của lõi thép thuần thép với chiều dài thực của lõi thép kể cả phần cách
điện khi ghép.
1.4.2- Vật liệu dẫn điện:
Đồng (Cu) và nhôm (Al). Chúng có điện trở bé, chống ăn mịn tốt, tùy theo yêu cầu
về cách điện và độ bền cơ học ta dùng hợp kim của đồng và nhôm.
1.4.3- Vật liệu cách điện:
Dùng trong máy điện phải đạt yêu cầu:
+ Cường độ cách điện cao.
+ Chịu nhiệt tốt, tản nhiệt dễ dàng.
+ Chống ẩm ướt, độ bền cơ học cao.
Các chất cách điện dùng trong máy phát điện có thể ở thể hơi và thể rắn, thể lỏng.
Các chất cách điện ở thể rắn chia làm 4 loại:
10


Bài giảng: MÁY ĐIỆN 1
+ Các chất hữu cơ thiên nhiên như: vải, lụa..
+ Các chất vô cơ như: mica, amiăng, sợi thủy tinh…

+ Các chất tổng hợp.
+ Các chất men, sợi cách điện, các chất tẩm sấy từ các vật liệu thiên nhiên và tổng
hợp.
Tùy theo tính chịu nhiệt các vật liệu cách điện chia thành các cấp sau:
Cấp cách điện:

Y

A

E

B

F

120

130

155

80

90

H

C

Nhiệt độ cao nhất
cho phép (C) >180

90

Độ tăng nhiệt t (C)
Độ tăng nhiệt độ: t =
Trong đó:

t1

50

105
65

180 > 180

115 140 > 140

t1  t2

nhiệt độ của máy,

t2

nhiệt độ môi trường.

Theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN): nhiệt độ môi trường là 40C cịn của máy điện ta
bình qn. Hiện nay ta thường dùng cách điện cấp A, E, B.

Chú ý: Trên nhiệt độ cho phép 10% thì tuổI thọ của máy sẽ giảm đi 1/2 nên không
được phép làm việc trên nhiệt độ cho phép trong thời gian dài.
1.5- Phaùt nóng và làm mát:
Trong quá trình làm việc có tổn hao công suất. Tổn hao trong máy
điện gồm tổn hao sắt từ 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.
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,… 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 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 trong 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
11


Bài giảng: MÁY ĐIỆN 1
tăng nhiệt sẽ vượt quá nhiệt độ cho phép vì thế không cho phép quá tải
lâu dài.
BÀI 2. MÁY BIẾN ÁP.

2.1- Khái niệm chung:
2.1.1- Khái niệm:
Để biến đổi điện áp của dòng điện xoay chiều từ điện áp cao sang

điện áp thấp hoặc ngược lại ta dùng máy biến áp.
Vậy máy biến áp là 1 thiết bị điện từ tónh, làm việc theo nguyên lý
cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi điện áp của hệ thống dòng đện xoay
chiều nhưng vẫn giữ nguyên tần số.
2.1.2- Công dụng:

Máy biến áp có vai trò rất quan trọng trong hệ thống điện, dùng để
truyền tải và phân phối điện năng. Các nhà máy lớn thường ở xa trung
tâm tiêu thụ điện. Vì thế cần phải xây dựng các đường dây truyền tải
điện năng.
Để nâng cao khả năng truyền tải và giảm tổn hao công suầt trên
đường dây thì phải giảm dòng điện trên đường dây bằng cách nâng cao
điện áp, vì vậy ở đầu đường dây cần đặt máy biến áp tăng áp. Mặt khác
điện áp của tải tiêu thụ thường là 127V đến 500V vì vậy ở cuối đường dây
cần đặt máy biến áp giảm áp.
Ngoài ra máy biến áp còn được sử dụng trong các lò nung, trong
hàn điện, làm nguồn cho thiết bị điện, điện tử cần nhiều cấp điện áp
khác nhau, trong lónh vực đo lường, ...
2.2- Cấu tạo:
Máy biến áp được cấu tạo từ 2 bộ
phận chính:
2.2.1-Lõi thép máy biến áp:
Lõi thép máy biến áp dùng để dẫn
từ thông chính của máy, đồng thời cũng
là khung dể quấn dây máy biến áp,
được chế tạo từ những vật liệu dẫn từ
tốt, thường dùng là các lá thép kỹ thuật
12

Bài giảng: MÁY ĐIỆN 1
điện dày từ 0,3 đến 0,5 mm, 2 hai mặt có phủ 1 lớp sơn cách điện, các lá
thép được ghép lại với nhau. Lõi thép gồm 2 bộ phận:
- Trụ là nơi để đặt dây quấn.
- Gông là phần khép kín mạch từ giữa các trụ.
2.2.2-Dây quấn:
Dây quấn máy biến áp thường được chế tạo bằng dây đồng hoặc
nhôm, có tiết diện tròn hoặc chữ nhật, bên ngoài dây có phủ 1 lớp sơn
cách điện hoặc bọc cách điện.
Dây quấn gồm nhiều vòng dây và lồng vào trụ lõi thép. Giữa các
vòng dây, giữa các dây quấn có cách điện với nhau và cách điện với lõi
thép.
Máy biến áp thường có 2 hoặc nhiều dây quấn, khi các dây quấn
được đặt trên cùng 1 trụ thì dây quấn thấp áp được đặt sát bên trong trụ
và dây quấn áp cao đặt ngoài. Làm như vậy sẽ giảm được vật liệu cách
điện và khoảng cách cách điện với phần tiếp đất.
Để làm mát và tăng cường cách điện cho máy biến áp, người ta
thường đặt dây quấn và lõi thép trong 1 thùng chứa dầu máy biến áp. Đối
với máy biến áp công suất lớn, vỏ thùng có các cánh tản nhiệt hoặc trong
nhiều trường hợp phải làm mát cưỡng bức bằng cách dùng quạt gió thổi
vào các cánh tản nhiệt.
2.3- Các đại lượng định mức của máy biến áp:
2.3.1-Điện áp định mức (m):
- Điện áp sơ cấp định mức U1đm là điện áp quy định cho dây quấn sơ
cấp.
- Điện áp thứ cấp định mức U2đm là điện áp giữa các cực của dây quấn
thứ cấp khi dây quấn thứ cấp hở mạch (không tải) và điện áp đặt vào
dây quấn sơ cấp là định mức .
Người ta quy ước, với máy biến áp 1 pha điện áp định mức là điện
áp pha, với máy biến áp 3 pha điện áp định mức là điện áp dây.

2.3.2-Dòng điện định mức(Iđm):
Là dòng điện đã quy định cho mỗi dây quấn của máy biến áp ứng
với công suất định mức và điện áp định mức. Đối với máy biến áp 1 pha,
dòng điện định mức là dòng điện pha, đối với máy biến áp 3 pha dòng
điện định mức là dòng điện dây.
- Dòng điện sơ cấp định mức kí hiệu là: I 1đm
13


Bài giảng: MÁY ĐIỆN 1
Dòng điện thứ cấp định mức kí hiệu là: I2đm
2.3.3-Dung lượng hay công suất định mức(Sđm):
Là công suất biểu kiến (hay công suất tòan phần) đưa ra ở đầu dây
quấn thứ cấp của máy biến áp:
- Đối với máy biến áp 1 pha công suất biểu kiến định mức là:
Sđm=U2đmI2đm= U1đmI1đm.
- Đối với máy biến áp 3 pha:
-

S dm  3U 2 dm I 2 dm  3U 1dm I1dm

Ngoài ra trên biển máy còn ghi tần số định mức fđm, số pha, sơ đồ
nối dây, điện áp ngắn mạch, chế độ làm việc, ...
2.4- Ngun lý làmviệc của máy biến áp:
Khi ta nối dây quấn sơ cấp w1 vào nguồn điện xoay chiều điện áp U1,
sẽ có dòng điện sơ cấp I1 chạy trong dây quấn sơ cấp w1. Dòng điện sơ cấp
I1 sinh ra từ thông biến thiên chạy trong lõi thép từ thông này móc
vòng qua cả 2 cuộn sơ cấp w1 và
thứ cấp w2, được gọi là từ thông
chính.

Theo định luật cảm ứng
điện từ, sự biến thiên của từ
thông làm cảm ứng trong dây
quấn sơ cấp 1 sức điện động là:
e1   w1

d
dt

Và cảm ứng trong dây quấn thứ cấp sức điện động là:
e2   w2

d
dt

Trong đó w1 và w2 là số vòng dây quấn sơ cấp và thứ cấp. Khi máy
biến áp không tải, dây quấn thứ cấp hở mạch, dòng điện thứ cấp i 2 =0. Từ
thông chính trong lõi thép chỉ do dòng điện sơ cấp i1 không tải sinh ra, có
giá trị bằng dòng từ hóa I0.
Khi máy biến áp có tải, dây quấn thứ cấp nối với tải có tổng trở tải
Zt, dưới tác động của sức điện động e2, có dòng điện thứ cấp i2 cung cấp
điện cho tải. Khi ấy từ thông chính do đồng thời cả 2 dòng điện sơ cấp và
thứ cấp sinh ra.
Trong đó  = 2f.
 = maxsint;
14


Bài giảng: MÁY ĐIỆN 1
maø

* e1   w1

d d ( max sin t )



 4,44 f w1  max 2 sin(t  )  E1 2 sin(t  )
dt
dt
2
2

* e2   w2

d d ( max sin t )



 4,44 f w2  max 2 sin(t  )  E 2 2 sin(t  )
dt
dt
2
2

Trong đó:
E1 =4,44fw1max
E2 =4,44fw2max
E1 , E2 là trị số hiệu dụng của sức điện động sơ cấp, thứ cấp.
Dựa vào 2 biểu thức sức điện động sơ cấp và thứ cấp ta thấy chúng
có cùng tần số nhưng trị số hiệu dụng khác nhau.

Nếu chia E1 cho E2 ta có:
k

E1 w1
và k được gọi là hệ số biến áp.

E 2 w2

Nếu bỏ qua điện trở dây quấn và từ thông tản ra ngoài không khí,
có thể coi gần đúng U 1  E1 U 2  E 2 thì:
U 1 E1 w1


 k nghóa là tỉ số điện áp sơ cấp và thứ cấp
U 2 E 2 w2

đúng

bằng tỷ số vòng dây.
- Đối với máy biến áp tăng áp ta có U2> U1 ; w2>w1.
- Đối với máy biến áp giảm áp ta có: U2 Như vậy dây quấn sơ cấp và thứ cấp không trực tiếp liên hệ với
nhau về điện nhưng nhờ có từ thông chính, năng lượng đã được chuyển từ
dây quấn sơ cấp sang thứ cấp.
Nếu bỏ qua tổn hao trong máy biến áp có thể coi gầnm đúng quan
hệ giữa các đại lượng sơ và thứ như sau:
U 1 I1  U 2 I 2
hoaëc k 

U1 I 2


U 2 I1

2.5- Mơ hình tốn và sơ đồ thay thế máy biến áp:
2.5.1- Mơ hình tốn học:
- Quan hệ điện từ trong MÁY BIẾN ÁP:
a. Phương trìng cân bằng sức điện động:
d
d
 1
dt
dt
d
d 2
* e2   w

dt
dt

* e1   w1

15


Bài giảng: MÁY ĐIỆN 1
Trong đó  1  1,  2  2 là từ thông móc vòng với dây quấn sơ cấp và
thứ cấpứng với từ thông chính  .
Để thấy rõ sư liên hệ về từ giữa các dây quấn sơ cấp và thứ cấp ta cũng
có thể biểu thị các phương trình cân bằng sức điện động dưới dạng khác:
 1  L11 i1  L12i2

 2  L21i1  L22i2

Trong đó: L11, L22 là tự cảm của dây quấn sơ cấp và thứ cấp khi từ thông
khép mạch trong lõi thép;
L12, L21 là hỗ cảm giữa các dây quấn sơ cấp và thứ cấp qua lõi
thép.
2.5.2- S฀ ฀ơ฀ thay thế máy biến áp:
2.5.2.1- Qui đổ máy biến áp:
- Sức điện động và điện áp thứ cấp qui đổi E’2 và U’2 : do qui đổi dây quấn
thứ cấp về dây quấn sơ cấp w2 = w1 nên sức điện động thứ cấp qui đổi lúc
này là:
E’2 = E’1
Như ta đã biết:

Do đó:

E1 w1
w

 E1  1 E2
E2 w2
w2
w
E2'  1 E2  kE2
w2

Trong đó k = w1/ w2 gọi là hệ số qui đổi thứ cấp về sơ cấp.
Tương tư, điện áp thứ cấp qui đổi:
U’2 = kU2
- Dòng điện thứ cấp qui đổi I’2 : việc qui đổi phải bảo đảm sao cho

công suất thứ cấp của máy biến áp trước và sau khi qui đổi không
thay đổi, nghóa là:
E2' I 2'  I 2 E2

Do đó dòng điện thứ cấp qui đổi:

I 2' 

E2
1
I  I2
' 2
E2
k

- Điện trở, điện kháng và tổng trở thứ cấp qui đổi: khi qui đổi, vì công
suất không thay đổi nên tổn hao đồng ở dây quấn thứ cấp trước và
sau khi qui đổi phải bằng nhau:
Do đó điện trở thứ cấp qui đổi:

I 22 r2  I 2' 2 r2'

16


Bài giảng: MÁY ĐIỆN 1
r2' 

I2
r  k 2I2

' 2
I2

Tương tư ta có điện kháng thứ cấp qui đổi:
Tổng trở thứ cấp qui đổi:

x2'  k 2 x2

Z 2'  k 2 Z 2

2.5.2.2- Mạch điện thay thế của máy biến áp:
Trong đó: r1, x1: điện trở và điện kháng
dây quấn sơ cấp.
r’2, x’2: điện trở và điện kháng dây
quấn thứ cấp quy đổi về sơ cấp.
rm, xm: điện trở và điện kháng từ
hóa.
2.6- Các chế độ làm việc của máy biến áp:
2.6.1- Chế độ không tải của máy biến áp.
2.6.1.1- Sơ đồ thay thế của máy biến áp không tải:
Khi không tải I2 = 0.
1. Các đặc điểm ở chế độ không tải:
a. Dòng điện không tải:
I0 

U1
U1

Z0
( R1  Rth ) 2  ( X 1  X th ) 2

Tổng trở Z0 thường rất lớn vì thế dòng
điện không tải nhỏ từ 2 đến 10% dòng điện
định mức.
b. Công suất không tải P0:
Ở chế độ không tải công suất đưa ra phía thứ cấp bằng hkông,
song máy vẫn tiêu thụ công suất P0, công suất P0 gồm công suất tổn hao
sắt từ Pst trong lõi thép và công suất tổn hao trên điện trở dây quấn sơ
cấp PR1. Vì dòng điện không tải nhỏ nên cho nên có thể bỏ qua công
suất tổn hao trên điện trở và coi gần đúng:
Pst  P0
Tổn hao sắt từ được tính dựa vào đặc tính của thép:
Pst  p1,0 50 B 2 (

f 1,3
) G
50

17


Bài giảng: MÁY ĐIỆN 1
Trong đó: p1,0 50 là công suất tổn hao trong lá thép khi tần số 50Hz
và từ cảm 1T. Đối với lá thèp kỹ thuật điện 3413 dày 0,35mm, p1,0 50 =0,6
W/ kg.
B: từ cảm trong thép (T).
G: khối lượng thép (kg).
c. Hệ số công suất không tải:
Công suất phản kháng không tải Q0 rất lớnso với công suất tác
dụng P0. Hệ số công suất lúc không tải thấp:

Cos 0 

R0

2
0

R X

2
0



P0

2
0

P  Q02

 0,1  0,3

Từ những đặc điểm trên khi sử dụng không nên để máy ở tình trạng
không tải hoặc non tải.
2.6.1.2- Thí nghiệm không tải
của máy biến áp:
Đặt điện áp địnhm ức vào dây
quấn sơ cấp, thứ cấp hở mạch,
các dụng cụ đo cho ta các số liệu

sau: oát kế chỉ công suất không
tải P0, ampe kế cho ta dòng điện không tải I0, các vôn kế cho ta giá trị U1
, U20. Từ đó ta tính được:
a. Hệ số biến áp k:
k

U1
E
w
 1  1
U 20 E 2 w2

b. Dòng điện không tải phần trăm:
I0 % 

I0

I1dm

100%  3%  10%

c. Điện trở không tải:
R0 

P0
;
I 02

R0  R1  Rth

Vì rằng Rth >>R1 nên lấy gần đúng:
R0  Rth

d. Tổng trở không tải:
Z0 

U 1dm
I0

tương tự ta có Z 0  Z th

e. Điện kháng không tải:
X 0  Z 02  R02
tương tự ta có: X 0  X th
18


Bài giảng: MÁY ĐIỆN 1
f. Hệ số công suất không tải:
Cos 0 

P0

U 1dm I 0

 0,1  0,3

2.6.2- Chế độ ngắn mạch của máy biến áp.
2.6.2.1- Sơ đồ thay thế máy biến áp ngắn mạch:
Vì tổng trở Z2 rất nhỏ so với Zth nên coi

gần đúng có thể bỏ qua nhánh từ hóa. Dòng
điện sơ cấp là dòng điện ngắn mạch In.
Z n  X n2  Rn2 là tổng trở ngắn mạch máy
biến áp.
* Đặc điểm ở chế độ ngắn mạch:
Dòng điện ngắn mạch khi điện áp sơ cấp định mức:
In 

U 1dm
Zn

Vì tổng trở ngắn mạch rất nhỏ cho nên dòng điện ngắn mạch
thường rất lớn bằng 10 đến 25 lần dòng định mức, nguy hiểm đối với máy
biến áp và ảnh hưởng đến các tải dùng điện.
2.6.2.2- Thí nghiệm ngắn mạch:
Để xác định tổn hao trên điện
trở dây quấn và xác định các thông
số sơ cấp và thứ cấp, ta tiến hành
thí nghiệm ngắn mạch:
Dây quấn thứ cấp nối ngắn
mạch. Dây quấn sơ cấp nối với nguồn qua bộ điều chỉnh điện áp, nhờ đó
ta có thể điều chỉnh điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp bằng Un sao cho
dòng điện trong dây quấn bằng định mức.
Phần trăm của điện áp sơ cấp định mức:
Un% 

Un
100%  3%  10%
U 1dm

Lúc ngắn mạch, điện áp thứ cấp U2=0 do đó điện áp ngắn mạch Un
là điện áp rơi trên tổng trở dây quấn. Vì điện áp ngắn mạch nhỏ, nên từ
thông  se nhỏ, có thể bỏ qua tổn hao sắt từ. Công suất đo trong thí
nghiệm ngắn mạch là tổn hao trong điện trở 2 dây quấn.
a. Tổng trở ngắn mạch:
19


Bài giảng: MÁY ĐIỆN 1
Zn 

Un
I1dm

b. Điện trở ngắn mạch:
Rn 

Pn
;
2
I 1dm

c. Điện kháng ngắn mạch:
X n  Z n2  Rn2

Để tính các thông số máy biến áp thường dùng các công thức gần
đúng sau:
R1  R2' 

Rn

;
2

X 1  X 2' 

Xn
2

Biết hệ số máy biến áp, tính được thông số thứ cấp chưa quy đổi:
R2'
R2  2 ;
k

X 2'
X2  2
k

d. Điện áp ngắn mạch tác dụng phần trăm:
U nR % 

Rn I1dm
100%  U n % cos  n
U 1dm

e. Điện áp ngắn mạch phản kháng phần trăm:
X n I 1dm
100%  U n % sin  n
U 1dm
R
X

cos  n  n ;
sin  n  n
Zn
Zn

U nX % 

2.6.3- Chế độ có tải của máy biến áp.
Chế độ có tải là chế độ trong đó dây quấn sơ cấp nối vào nguồn điện
áp định mức, dây quấn thứ cấp nối với tải. Để đánh giá mức độ tải người
ta đưa ra hệ số tải kt :
kt 

I2

I 2 dm



I1

I 1dm

;

kt = 1 tải định mức; kt<1 non tải; kt>1 quá tải;
2.6.3.1- Độ biến thiên điện áp thứ cấp theo tải. Đường đặc tính ngoài:
a. Độ biến thiên điện áp thứ cấp:
Máy biến áp có tải, sự thay đổi gây nên sự thay đổi điện áp thứ cấp
U2. Khi máy biến áp sơ cấp định mức, độ biến thiên điện áp thứ cấp U2

là:
U2 = U2đm - U2
Độ biến thiên điện áp thứ cấp phầm trăm tính như sau:

20


Bài giảng: MÁY ĐIỆN 1
U 2 % 

U 2 dm  U 2
100%
U 2 dm

Nhân tử và mẫu với hệ số biến áp kt 

w1
w2 dm

ta có:

kU 2 dm  kU 2
U 1dm  U 2'
100% 
100%
U 2 % 
kU 2 dm
U 1dm

Từ đây ta suy ra:

U 2 %  k t (U nR % cos 1  U nX % sin  t )

Trong đó: hệ số tải kt 

I1

I1dm

;  t  arctg

Xt
là gó lệch pha giữa điện
Rt

áp U2 và dòng I2 cũng chính là góc của tổng trở tải.
Z I cos n
- U nR %  n dm
100%  U n % cos  n
U1dm

Z n I dm sin  n
100%  U n % sin  n
U 1dm
X
-  n  arctg n ; n laø góc tổng trở ngắn mạch.
Rn

-

U nX % 

Trị số U2 có thể cực đại, dương, âm, hoặc bằng không phụ thuộc
vào tính chất của tải:
- n - t =0
thì U2 lớn nhất.
0
thì U2 = 0.
- n - t =90
-  n   t  90 0
thì U2 < 0
-  n   t  90 0

thì U2 > 0

Trên hình a vẽ U2% tương ứng với các tải thuần trở, thuần cảm và
thuần điện dung.
b. Đường đặc tính ngoaøi:

21


Bài giảng: MÁY ĐIỆN 1
Đường đặc tính ngoài của máy biến áp biểu diễn mối quan hệ
U2=f(I2) khi U1=U1đm và cost = const. ( hình b)
điện áp thứ cấp U 2 %  U 2 dm  U 2 (1 

U 2 %
)
100

Từ đồ thị ta thấy, khi tải dung, I2 tăng thì U2 tăng. Khi tải cảm hoặc
tải trở, I2 tăng thì U2 giảm.
Điện áp là 1 thông số có ý nghóa rất quan trọng trong vận hành
không được biến thiên quá phạm vi cho phép.
Để điều chỉnh U2 đạt giá trị mong muốn, ta thay đổi số vòng dây
trong khoảng  5% (thường thay đổi số vòng dây cuộn cao áp vì ở đó dòng
điện nhỏ việc thay đổi số vòng dây được thay đổi dễ hơn). Vì thế dây
quấn máy biến áp có chế tạo các đầu phân áp.
2. 5: TỔN HAO VÀ HIỆU SUẤT MÁY BIẾN ÁP
I. Tổn hao trong máy biến áp
Khi máy biến áp làm việc có các tổn hao sau:
- Tổn hao trên điện trở dây quấn sơ cấp và thứ cấp gọi là tổn hao
đồng. Tổn hao đồng phụ thuộc vào dòng điện tải:
Pd  I12 R1  I 22 R2  I12 ( R1  R2' )  I12 Rn  k12 I12dm Rn  k12 Pn

Trong đó Pn là công suất đo được khi thí nghiệm ngắn mạch.
- Tổn hao sắt từ PFe trong lõi thép, do dòng điện xoáy và từ trễ
gây ra. Tổn hao sắt từ không phụ thuộc tải mà phụ thuộc vào từ thông
chính, nghóa là phụ thuộc vào điện áp:
Pst  P0

2.3.4-

Hiệu suất máy biến aùp:


kt S dm cos  t
P2
P2



P1 P2  Pst  Pd k t S dm cos  t  P0  k12 Pn

Trong đó, P2 là công suất tác dụng ở đầu ra. (tải tiêu thu).
P2 =S2cost =kt Sdm cost
kt 

I2

I 2 dm



S2
S 2 dm

Hiệu suầt cực đại khi tổn hao đồng bằng tổn hao sắt từ: k t 

P0
Pn

Đối với máy biến áp có công suất trung bình và lớn, hiệu suất cực
đại khi hệ số tải kt = 0,5 – 0,7.
2.7- Máy biếnáp 3 pha:
22


Bài giảng: MÁY ĐIỆN 1
2.7.1- Đại cương về MBA 3 pha:
Để biến đổi điện áp của hệ thống dòng điện 3 pha, ta có thể dùng 3

máy biến áp 1 pha hoặc dùng máy biến áp 3 pha. Về cấu tạo, lõi thép của
máy biến áp 3 pha gồm 3 trụ. Dây quấn sơ cấp được kí hiệu bằng chữ in
hoa: Pha A kí hiệu là A – X, pha B: B – Y, pha C: C – Z. Daây quấn thứ
cấp được kí hiệu bằng các chữ in thường: pha a: a – x, pha b: b – y, pha c:
c- z; Dây quấn sơ cấp và thứ cấp có thể nối hình sao hoặc tam giác. Nếu
sơ cấp nối hình tam giác và thứ cấp nối hình sao ta kí hiệu /Y. Nếu sơ
cấp nối hình sao và thứ cấp nối hình sao và có dây trung tính ta kí hiệu:
Y/YN.

w2

Gọi số vòng dây pha 1 pha sơ cấp là w1, số vòng dây 1 pha thứ cấp là
tỉ số điện áp pha giữa sơ cấp và thứ cấp sẽ là:
U P1 w1

U P 2 w2

Tỉ số điện áp dây không những chỉ phụ thuộc vào tỉ số vòng dây mà
còn phụ thuộc vào cách nối hình sao hay tam giaùc.

23


Bài giảng: MÁY ĐIỆN 1
- Khi nối /Y (hình c), sơ cấp nối : Ud1= UP1 còn thứ cấp nối hình Y:
U d 2  3U P 2 Vậy tỉ số điện áp dây là:
U p1
U d1
w1



Ud2
3U p 2
3w2

- Khi nối / (hình b) sơ cấp Ud1 = UP1 và thứ cấp Ud2 = UP2 cho nên:
U d 1 U p1 w1


U d 2 U p 2 w2

- Khi noái Y/Y (hình a):
3U p1 w1
U d1


Ud2
3U p 2 w2

- Khi nối Y/ (hình d):
3U p1
U d1
w

 3 1
U d2
U p2
w2

Trong thực tế khi có nhiều máy biến áp làm việc song song với nhau

ta phải chú ý đến góc lệch pha giữa điện áp dây sơ cấp và thứ cấp. Vì thế
khi kí hiệu tổ đấu dây của máy biến áp ngoài kí hiệu cách đấu các dây
quấn còn ghi thêm số chỉ góc lệch pha giữa điện áp dây sơ cấp và thứ
cấp.
Đối với máy biến áp 3 pha đối xứng khi nghiên cứu chỉ cần viết
phương trình sơ đồ thay thế, đồ thị vectơ cho 1 pha. Vì thế khi tính các
thông số thay thế cho sơ đồ thay thế cần tính các thông số pha (dòng
điện pha, điện áp pha, tổng trở pha, công suất 1 pha, ...).
Ví dụ: tính điện trở Rn trong sơ đồ thay thế:
Rn  R1  R2' 

PnP
I12P

Trong đó PnP là tổn hao ngắn mạch 1 pha. Pn là tổn hao ngắn mạch 3
pha.
P
PnP  n
3
I1P = I1dm nếu nối sao.
hoặc I 1P 

I 1dm
3

nếu nối tam giác.

2.7.2- Tổ nối dây máy biến áp:
a. Cách kí hiệu đầu dây
24