Cơ sở lý thuyết máy điện

LỜI MỞ ĐẦU
Năm 1785 Ch.Coulomb nghiên cứu các định luật về tĩnh điện.
Năm 1800 A.Volta dựa trên cơ sở phát minh của L.Galvani đã chế tạo ra
chiếc pin đầu tiên.Năm 1819 C.H.Oersted nghiên cứu tác dụng cư học
của dòng điện. Năm 1820 A.M.Ampere nghiên cứu lực điện động. Năm
1826 G.S.Ohm tìm ra quan hệ giữa dịng điện và điện áp trong mạch
không phân nhánh. Mốc quan trọng nhất phải kể đến là năm 1831
M.Faraday phát minh ra định luật cảm ứng điện từ. Định luật cảm ứng
điện từ là cơ sở lý luận cho sự xuất hiện của các loại máy điện và các
thiết bị điện.
So với các hiện tượng vật lý khác như cơ, nhiệt, quang… hiện
tượng điện từ được phát hiện chậm hơn vì các giác quan khơng cảm
nhận được trực tiếp các hiện tượng này. Tuy nhiên việc khám phá ra
hiện tượng điện từ đã thúc đẩy mạnh mé cuộc cách mạng khoa học
chuyển sang lĩnh vực điện khí hóa và tự động hóa. Các phát minh sáng
chế liên tục ra đời thúc đẩy công nghiệp phát triển như vũ bão. Hàng lọat
các máy móc, thiết bị điện được sản xuất, chế tạo giúp con người giải
phóng lao động thủ công, chân tay, đưa nền sản xuất đi dần vào tự động
hóa. Đồng thời điện năng cũng phục vụ đắc lực cho con người trong sinh
hoạt vật chất và tinh thần.
Để thực hiện việc biến đổi cơ năng thành điện năng và ngược lại,
người ta sử dụng các loại máy điện. Máy điện là một hệ điện từ gồm có
mạch từ và mạch điện liên quan với nhau. Mạch từ gồm các bọ phận dẫn
từ và khe hở khơng khí. Các mạch điện gồm hai hay nhiều dây quấn có
thể chuyển động tương đối với nhau cùng với các bộ phận mang chúng.
Từ nhu cầu tiêu dùng điện năng ngày càng cao nên máy điện ngày
càng được sử dụng nhiều trong cuộc sống, trong các ngành kinh tế như:
cơng nghiệp, nơng nghiệp,giao thơng vận tải…Chính vì vậy trong
chương trình học tập của trường Đại học Bách Khoa Hà Nội ngoài
nhưng buổi học tập về lý thuyết máy điện tất cả các sinh viên khoa điện
còn đươc tham gia vào khóa thực tập thực hành trong 3 tuần về các loại

máy điện như máy biến áp, động cơ điện 3 pha, rơ to lống sóc…Nhờ đó
mỗi người sinh viên chúng em đã có được những kinh nghiệm thực tế
quý báu của một người kỹ sư điện như quấn máy biến áp, quấn dây động
cơ…
Có được thời gian thực tập quý báu này em xin chân thành cảm ơn
ban chủ nhiệm khoa Điện và đặc biệt là các thầy giáo hướng dẫn
1


Thầy Nguyễn Quang Hùng
Thầy Nguyễn Huy Thiện
Các thầy đã tạo điều kiện cũng như tận tình chỉ bảo giúp đỡ em
trong q trình thực tập. Có thể nói khơng có sự hương dẫn dạy bảo của
các thầy chúng em có lẽ sẽ khó có thể hồn thành tốt được bài thực tập
kỹ thuật này. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn.

PHẦN MỘT
BÀI 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN
I. Giới thiệu chung về máy điện:
Các máy thực hiện sự biến đổi cơ năng thành điện năng hoặc ngược
lại được gọi là máy điện.
Các máy điện biến cơ năng thành điện năng gọi là máy phát điện và
các máy điện dung để biến đổi từ điện năng thành cơ năng gọi là động
cơ.Các máy điện đều có tính thuận nghịch, nghĩa là có thể biến đổI năng
lượng theo hai chiều.
Máy điện là một hệ điện từ gồm có mạch từ và mạch điện liên quan
với nhau.Mạch từ bao gồm các bộ phận dẫn từ và các khe hở khơng
khí.Các mạch điện bao gồm hai hoặc nhiều dây quấn có thể chuyển động
tương đối với nhau cùng với các bộ phận mang chúng.
Sự biến đổi cơ điện trong máy điện dựa trên nguyên lý về cảm ứng

điện từ. Nguyên lý này cũng đặt cơ sở cho sự làm việc của các bộ biến
đổi cảm ứng. dùng để biến đổi điện năng với các giá trị của thông số này
(điện áp, dòng điện). Máy biến áp là một thiết bị biến đổi cảm ứng đơn
giản thuộc loại này, dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều từ điện áp
này sang dòng điện xoay chiều có điện áp khác. Các dây quấn và mạch
từ của nó đứng n và q trình biến đổi từ trường để sinh ra sức điện
động cảm ứng trong các dây quấn được thực hiện bằng phương pháp
điện.
Máy điện dùng làm máy biến đổi năng lượng là phần tử quan trọng
nhất của bất cứ thiết bị điện năng nào. Nó được sử dụng rộng rãi trong
cơng nghiệp, nơng nghiệp, giao thông vân tải, và các hệ điều khiển và tự
động điều chỉnh, khống chế…
2


Máy điện có nhiều loại, có thể phân loại như sau:
* Máy điện tĩnh: thường gặp là các loại máy biến áp. Máy điện tĩnh
làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ do sự biến thiên từ thông,
giữa các dây quấn khơng có sự chuyển động tương đối với nhau.
Máy điện tĩnh thường dùng để biến đổi thông số điện năng. Do
tính chất thuận nghịchcủa các quy luật cảm ứng điện từ nên q trình
biến đổi có tính chất thuận nghịch. Ví dụ: Máy biến áp biển đổi điện
năng có các thơng số U1, I1, f1 thành điên năng có các thơng số mới U2,
I2, f2 hoặc ngược lạibiến đổi hệ thống điện U 2, I2, f2 thành hệ thống U1, I1,
f1
* Máy điện có phần động (quay hoặc chuyển động thẳng): Tuỳ
theo lưới điện có thể phân thành máy điện xoay chiều và máy điện một
chiều. Nguyên lý làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, lực điện
từ do từ trường và dòng điện của các quận dây có chuyển động tương
đối so với nhau gây ra. Loại máy này thường dùng để biến đổi 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). Q trình biến đổi có tính
chất thuận nghịch, nghĩa là máy điện có thể làm việc ở chế độ máy phát
hoặc động cơ điện.

U1, I1, f1
Pcơ
Sơ đồ phân loại máy điện thông dụng thường dùng:

3


Máy điện

Máy điện tĩnh

Máy điện có phần
quay

Máy điện xoay chiều

Máy điện không
đồng bộ

Máy
biến
áp

Động
cơ

không
đồng bộ

Máy
phát
không
đồng bộ

Máy điện một chiều

Máy điện
đồng bộ

Động
cơ
đồng bộ

Máy
phát
đồng bộ

Động
cơ
một
chiều

Máy
phát
một
chiều

II. Các định luật dùng để nghiên cứu máy điện
Trong nghiên cứu máy điện, ta thường sử dụng các định luật sau:
1. Định luật về cảm ứng điện từ. Định luật Faraday:
Trong các thiết bị điện từ, định luật này thường được viết dưới dạng
phương trình Maxwell:
e 

d
dt

Điều đó nói rằng, một sự biến thiên của tổng từ thơng móc vịng một
mạch điện sẽ tạo ra một sức điện động tỷ lệ với đạo hàm của tổng từ
thông biến thiên đó.
Cũng có thể viết dưới dạng :
e = B.l.v
trong đó v là tốc độ chuyển động của một thanh dẫn l nằm trong từ
trường có từ cảm B vng góc với chiều chuyển động của thanh dẫn đó.
2. Định luật tồn dịng điện:
Định luật này được diễn tả như sau:
4


Hdl  iw  F

Tích phân vịng của 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. F chỉ giá trị của sức từ động tổng tác động lên mạch từ đó.
3. Định luật về lực điện từ. Định luật Laplace:
Đây là định luật cho ta trị số của lực tác dụng trên một đơn vị dịng

điện đặt ở điểm M có từ cảm . Lực này bằng tích vectơ của vectơ đơn vị
dịng điện với vectơ từ cảm:
df M idl.BM

Lực tác dụng trên đoạn dây dẫn mang dòng điện nằm trong một từ
trường bằng:
1

f  Bi sin dl
0

Trong đó
là góc giữa vectơ từ cảm với véc tơ dòng điện. Nếu từ
trường đều và dây dẫn thẳng, ta có:


f  Bli sin 

4. Năng lượng trường điện từ:
Năng lượng tổng trong một thể tích từ trường có khơng đổi bằng:
H 2
1
W 
dV  Li 2
2
2

Trong trường hợp này, chỉ từ thơng móc vịng bởi dòng điện và từ
cảm của cuộn dây.
Nếu thiết bị điện từ có hai hay nhiều mạch điện có hỗ cảm điện từ thì

năng lượng điện từ của hai mạch điện hỗ cảm bằng:
L i2 L i2
H 2
W12  
dV  1 1  2 2  M 12 i1i2
2
2
2

Có thể dùng phương pháp tổng quát và thống nhất dựa trên cơ sở của
phép tính tenxơ và ma trận để nghiên cứu, phân tích tất cả các loại máy
điện.
Tất cả các phương trình cân bằng điện áp của các loại máy điện được
biểu thị theo định luật Kirhôf bằng một phương trình ma trận có dạng:
u Z i

Trong đó
u : là vectơ điện áp cí các thành phần bằng các điện áp đặt vào các
mạch điện tương ứng với các dây quấn của mạch điện;
i : là vectơ dịng điện có các thành phần dòng điện chạy trong các
mạch điện;
Z: là ma trận tổng trở.
Mômen điện từ sinh ra trong máy điện sẽ bằng:
M  k  i

5


Trong đó là vec tơ từ thơng móc vịng vó các thành phần bằng từ
thông do các dây quấn sinh ra, k là một hệ số tỷ lệ.

5. Đơn vị tương đối:
Trong nghiên cứu thiết kế và tính tốn các máy điện, để được tiện lợi
người ta thường dùng hệ đơn vị tương đối. Trong hệ đơn vị tương đối
các đại lượng như điện áp, dịng điện, cơng suất, tần số, tần độ góc,
mơmen…đều được biểu thị theo các lượng định mức tương ứng lấy làm
cơ sở. Ví dụ:
I* 

I
I CS

;U

*



U
U CS

;P

*



P
PCS

;

M* 

trong đó: Ics = Iđm ; Ucs =
z cs  z đm 

M
M CS

;z

*



z
z cs

Pđm

Uđm ; Pcs = Pđm; Mcs= Mđm = 9.81

đm

;

U cs U đm

I cs
I đm

III.Tính thuận nghịch trong máy điện:
Tính thuận nghịch trong máy điện:
Máy điện có tính thuận nghịch nghĩa là có thể làm việc ở chế độ mày
phát điện hoặc động cơ điện.
1. Chế độ máy phát điện:
Cho cơ năng của động cơ điện sơ cấp, thanh dẫn sẽ chuyển động với
vận tốc v trong từ trường của nam châm N-S, trong thanh dẫn sẽ cảm
ứng một sức điện động e.
- Nếu nối 2 cực của thanh dẫn điện trở R của tải thì dịng i chạy trong
thanh dẫn sẽ cung cấp điện cho tải.
- Nếu bỏ qua điện trở của thanh dẫn thì điện áp đặt vào tải u e
Cơng suất điện máy phát cung cấp cho tải là p= u.i= e.i
Dòng điện i nằm trong từ trường , từ trường sẽ chịu tác dụng của lực
điện từ Fdt = B.i.l có chiều như hình vẽ. Khi máy quay với tốc độ không
đổi, lực điện sẽ cân bằng với lực sơ cấp của động cơ sơ cấp
Fcơ = Fdt
Fcơ .v = Fdt.v=B.i.l.v=e.i
Như vậy công suất của động cơ sơ cấp P cơ = Fcơ. V đã được biến đổi
thành công suất điện Pđ = ei nghĩa là cơ năng đã được biến đổi thành
điện năng.
2. Chế độ động cơ điện:
Cung cấp điện cho máy 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 F dt
= Bil tác dụng lên thanh dẫn làm thanh dẫn chuyển động với tốc độ v
6


Công suất điện đưa vào động cơ:
P = u.i = e.i = B.i.l = Fdt.v

Như vậy công suất điện P = u.i đưa vào động cơ đã biến thành công
suất cơ Pcơ = Fdt.v trên trục động cơ điện năng đã biến thành cơ năng.
Ta nhận thấy cùng một thiết bị điện từ tùy vào dạng năng lượng đưa
và mà máy điện có thể làm việc ở chế độ máy phát điện hoặc đơng cơ
điện. Đây chính là tính chất thuận nghịch của mọi loại máy điện.
IV. Sơ lược về các vật liệu chế tạo máy điện:
Các vật liệu dùng để chế tạo có thể chia làm 3 loại:
- Vật liệu tác dụng
- Vật liệu kết cấu
- Vật liệu cách điện
1. Vật liệu tác dụng:
Đây là vật liệu dẫn từ và dẫn điện. các vật liệu này thường dùng để tạo
điều kiện cần thiết sinh ra biến đổi điện từ.
a. Vật liệu dẫn từ:
Để chế tạo mạch từ của máy điện người ta thường dùng các loại thép
khác nhau như thép kỹ thuật điện, thép lá thường, thép đúc, thép rèn.
Gang ít được dùng vì dẫn từ khơng tốt lắm.
Người ta sử dụng chủ yếu là thép kỹ thuật điện, có hàm lượng silic khác
nhau nhưng khơng được vượt q 4.5%. Hàm lượng silic này dùng để
hạn chế tổn hao do từ trễ và tăng điện trở của thép để giảm tổn hao dịng
điện xốy.
Người ta hay sử dụng các lá thép dày 0.35mm dùng trong máy biến
áp và 0.5mm dùng trong máy điện quay ghép lại làm lõi thép để giảm
tổn hao do dòng điện xoay chiều gây nên.
Tùy theo cách chế tạo người ta phân lõi thép kỹ thuật điện ra làm 2
loai: cán nóng và cán nguội. Loại các nguội có đặc tính từ tốt hơn như:
độ từ thấm cao hơn, tổn hao thép ít hơn cán nóng.
Thép lá cán nguội lại chia làm 2 loại: đẳng hướng và vơ hướng. Loại
đẳng hướng có đặc điểm là dọc theo chiều cán thì tính năng từ tính tốt
hơn hẳn so với nganh chiều cán, do đó thường được sử dụng trong máy

biến áp. Loại vơ hướng thì đặc tính từ theo mọi hướng nên thường được
sử dụng trong máy điện quay.
Ví dụ:
Thép cán nóng: Э21; Э31A
Thép cán nguội: Э41O Э31O
Chữ chỉ thép kỹ thuật điện
7


Chữ A chỉ tổn hao thấp
Chữ O chỉ thép cán nguội
Chỉ số thứ nhất chỉ hàm lượng silic.
Chỉ số thứ hai chỉ tổn hao riêng của các loại thép.
Ở đoạn mạch từ có từ thơng biến đổi với tần số 50Hz thường dùng
lá thép kỹ thuật điện dây 0.1- 0.2mm.
Ở đoạn mạch từ có từ thơng trường khơng đổi thường dùng lá thép
đúc, thép rèn hoặc thép lá.
b. Vật liệu dẫn điện:
Vật liệu dẫn điện dùng để chế tạo các bộ phận dẫn điện. Vật liệu dẫn
điện tốt nhất dùng trong các máy là đồng vì chúng có điện trở xuất rất
nhỏ và không đắt lắm. Đồng dùng làm dây dẫn khơng được có tạp chất
q 0,1%.Điện trở suất của đồng ở 20  C là  =0,0172 .mm 2 / m .Ngồi
ra cịn dùng nhơm và các hợp kim khác như đồng thau, đồng
phospho.Nhơm có điện trở suất ở 20  C là  =0,0282 .mm 2 / m tức là gấp
gần 2 lần đồng.Để chế tạo dây quấn ta dùng đồng, đôi khi dùng nhôm.
Dây đồng và dây nhơm được chế tạo theo tiết diện trịn hoặc chữ nhật,
có bọc cách điện khác nhau như: vải sợi, sợi thủy tinh, giấy, nhựa hóa
học, sơn emay. Với các loại máy có cơng suất nhỏ và trung bình, điện áp
dưới 100V thường dùng sơn emay vì lớp cách điện của dây mỏng, đạt độ
bền yêu cầu. Đối với các bộ phận khác như vành đổi chiều, lồng sóc

hoặc vành trượt, ngồi đồng, nhơm người ta cịn dùng các hợp kim của
đồng hoặc nhơm hoặc có chỗ dùng cả thép để tăng độ bền cơ học và
giảm kim loại màu.
2. Vật liệu kết cấu:
Vật liệu kết cấu là vật liệu dùng để chế tạo ra các chi tiết chịu tác
động cơ học như trục, ổ trục, vỏ máy, nắp máy, các bộ phận và chi tính
truyền động hoặc kết cấu của máy theo các dạng cần thiết đảm bảo cho
máy điện làm việc bình thường. Người ta dùng gang, thép, các kim loại
màu, hợp kim, và các vật liệu bằng chất dẻo.
3. Vật liệu cách điện:
Để cách điện các bộ phận mang điện trong máy người ta sử dụng vật
liệu cách điện.Những vật liệu này địi hỏi phải có độ bền điện cao, độ
dẫn nhiệt tốt, chịu ẩm, chịu được hoá chất và có độ bền cơ học nhất
định. Độ bền về nhiệt của chất cách điện bọc dây dẫn quyết định nhiệt
độ cho phép của dây và do đó quyết định tải của nó. Nếu tính năng chất
cách điện càng cao thì lớp cách điện có thể mỏng và kích thước của máy
giảm.
Chất cách điện chủ yếu ở thể rắng gồm 4 nhóm:
8


a. Chất hữu cơ thiên nhiên: giấy, vải, lụa.
b. Chất vô cơ: xi măng, mica, sợi thuỷ tinh.
c. Các chất tổng hợp.
d. Các loại men, sơn cách điện.
Chất cách điện tốt nhất là mica, song tuơng đối đắt nên chỉ dùng trong
các máy có điện áp cao, do đó thường dùng các vật liệu có sợi như giấy,
vải, sợi.. Chúng có độ bền cơ học tốt, mềm, rẻ tiền nhưng dẫn nhiệt kém,
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.

Ngồi ra cịn có chất cách điện ở thể khí: khơng khí, hydro, nito; hoặc
thể lỏng: dầu MBA.
+ Vật liệu khí: khơng khí là một chất cách điện tốt tuy nhiên để cách
điện tốt hơn người ta thường dùng khí trơ, hydro hoặc sử dụng trong
trường hợp cần cách điện và làm mát bên trong vật liệu.
+ Vật liệu lỏng ( đầu máy biến áp) : đây là loại vật liệu cách điện rất
quan trọng trong máy điện vì nó có thể len lỏi vào các khe rất nhỏ và có
thể sử dụng để dập hồ quang. Căn cứ vào độ bề nhiệt, vật liệu cách điện
chia ra làm nhiều loại sau:

Cấp
cách
điện
A
E
B
F

Vật liệu

Nhiệt độ giới
hạn
cho phép
vật liệu ( C )
Sợi xeluno, bông hoặc tơ 105
tằm trong vật liệu hữu cơ
lỏng.
Vài loại màng tổng hợp. 120
Amiang, sợi thủy tinh có 130
chất kết dính vật liệu gốc

mica
Amiang, vật liệu gốc 15
0

9

Nhiệt độ giới hạn
cho phép dây
cuốn ( C )
100
0

115
120
140


H

mica sợi thủy tinh có
chất kết dính và tẩm
tổng hợp
Vật liệu gốc mica, 180
amiang sợi thủy tinh
phối hợp chất kết dính
và tẩm silic hữu cơ.

165

Ngồi ra cịn có các cấp Y và C với nhiệt độ làm việc cho phép tương

ứng là 90  C và >180  C .
V. Phát nóng và làm mát máy điện:
Trong q trình làm việc có tổn hao cơng suất. Tổn hao năng lượng
trong máy điện bao gồm: tổn hao sắt từ( do hiện tượng từ trễ và dịng
xốy) trong thép, tổn hao đồng trong điện trở dây quấn, tổn hao do ma
sát( ở máy điện quay). Tất cả tổn hao năng lượng đều biến thành nhiệt
năng làm nóng máy điện. Khi đó do tác động của nhiệt độ, chấn động và
các tác động lí hóa khác, lớp cách điện sẽ bị lão hóa nghĩa là mất dần
các tình bền về điện, cơ.
Thực nghiệm cho thấy khi nhiệt độ tăng quá nhiệt độ cho phép 8-10
0
C thì tuổi thọ của vật liệu cách điện sẽ giảm đi một nửa.
Ở nhiệt độ làm việc cho phép tốc độ tăng nhiệt của các phần tử không
vượt quá độ tăng nhiệt cho phép, tuổi thọ trung bình của vật liệu khoảng
10-15 năm. Khi máy làm việc quá tải, nhiệt độ sẽ vượt quá nhiệt độ cho
phép. Vì vậy, khi sử dụng máy biến thế cần tránh để máy quá tải.
Để làm mát máy điện phải có biện pháp tản nhiệt ra ngịai mơi trường
xung quanh. Sự tản nhiệt không những phị thuộc vào bề mặt làm mát
của máy mà còn phụ thuộc vào sự đối lưu của khơng khí xung quanh
hoặc của mơi trường làm mát khác như dầu máy biến áp… Thường vỏ
máy điện được cấu tạo có các cánh tản nhiệt và máy điện có hệ thống
quạt gío để làm mát.

10


BÀI 2: MÁY BIẾN ÁP
I.Khái niệm chung:
Để đưa điện từ các trạm tới các hộ tiêu thụ cần phải có đường dây tải
điện như hình vẽ.Nếu khoảng cách giữa nơi sản xuất điện và hộ tiêu thụ lớn

thì ta cần phải giải quyết một vấn đề quan trọng là:việc truyền tải điện năng
đi xa phải đảm bảo tính kinh tế cao nhất.

Như ta đã biết cùng một công suất truyền tải trên đường dây nếu điện áp
dược tăng cao thì dòng điện chạy trên cuộn sẽ giảm xuống, như vậy có thể
giảm tiết diện dây do đó trọng lưọng và chi phí dây dẫn cũng như tổn hao
trên đường dây dài sẽ giảm xuống.Vì thế muốn truyền tải cơng suất đi xa ít
tổn hao và tiết kiệm kim loại màu trên đường dây tải điện người ta phải
dùng điện áp cao ( 35, 110, 220, 500kV ). Trên thực tế các máy phát điện
khơng có khả năng tạo ra điện áp cao như vậy (thường chỉ từ 3-21kV) do
đó phảI có các thiết bị tăng áp ở đầu đường dây lên. Mặt khác các hộ tiêu
thụ thường yêu cầu điện áp thấp từ 0,4-0,6 kV do đó tớI đây phảI có thiết bị
giảm áp xuống. Để biến đổI điện áp của dòng điện xoay chiều từ điện áp
cao xuống điện áp thấp hoặc ngược lạI ta sử dụng máy biến áp.
Thực tế trong hệ thống điện lực muốn truyền tải và phân phối công suất
từ nhà máy điện đến tận các hộ tiêu thụ một cách hợp lý thưeờng phảI qua
3, 4 lần tăng và giảm điện áp như vậy.Do đó tổng cơng suất của các máy
biến áp trong hệ thống điện thường gấp 3, 4 lần công suất của trạm phát
điện.Những máy biến áp dùng trong hệ thống điện lực gọI là máy biến áp
điện lực hay là máy biến áp cơng suất.
Từ đó rõ máy biến áp chỉ làm nhiệm vụ truyền tải hoặc phân phối năng
lượng, không thực hiện việc chuyển hoá năng lượng.
Ngày nay, do việc sử dụng điện năng phát triển rộng rãi nên có nhiều
loạI máy biến áp khác nhau: máy biến áp 1 pha, máy biến áp 3 pha 2 dây
quấn, 3 dây quấn, các máy biến áp dung trong chuyên môn như máy biến
áp chuyên dung cho các lò luyện kim, máy biến áp dung cho đo lường, thí
nghiệm…nhưng chung dựa trê cùng một nguyên lý đó là mguyên lý cảm
ứng điện từ.
Máy biến áp là một thiết bị điện từ tĩnh làm việc theo nguyên tắc cảm
ứng điện từ dung để biến đổi điện áp của hệ thống dòng điện xoay chiều

11


nhưng vẫn giữ nguyên tần số dòng điện.Hệ thống điện đầu vào của máy
biến áp trước lúc biến đổi ( sơ cấp ) có điện áp U 1 ,I 1 ,f. Hệ thống điện
đầu ra ( thứ cấp ) có điện áp U 1 ,I 1 , f.
Nếu điện áp thứ cấp lớn hơn điện áp sơ cấp gọi là máy biến áp tăng
áp.Nếu điện áp phía thứ cấp nhỏ hơn điện áp phía sơ cấp gọi là máy biến áp
hạ áp.
II. Nguyên lí làm việc cơ bản của máy biến áp:
Nguyên lý làm việc của máy biến áp dựa trên cơ sở hiện tượng cảm ứng
điện từ.
Ta hãy xét sơ đồ nguyên lí của một máy biến áp

Đây là máy biến áp một pha hai dây quấn. Dây quấn 1 có w 1 vịng
dây và dây quấn 2 có w2 vòng dây được quấn trên lõi thép 3. Khi đặt
một điện áp xoay chiều u1 vào dây quấn 1, trong đó sẽ có dịng điện i1.
Trong lõi thép sẽ sinh ra từ thơng Ф móc vịng với cả hay dây quấn 1 và
2, cảm ứng ra các s.đ.đ e1 và e2. Dây quấn 2 có s.đ.đ sẽ sinh ra dòng điện
i2 đưa ra tải với điệp áp là u2. Như vậy năng lượng của dòng điện xoay
chiều đã được truyền từ dây quấn 1 sang dây quấn 2.
Giải sử điện áp xoay chiều đặt vào là một hàm hình sin, thì từ thơng
do nó sinh ra cùng là một hàm số hình sin:
Ф = Фmsin t (1-1)
Do đó theo định luật cảm ứng điện từ, s.đ.đ cảm ứng trong các dây
quấn 1 và 2 sẽ là:
e1  w1

d m sin t
d


 w1
 w1 m cos t  2 E1 sin(t  )
dy
dt
2

e2  w2

d m sin t
d

 w2
 w2 m cos t  2 E 2 sin(t  ) (1-2b)
dy
dt
2

Trong đó:
E1 

w1 m 2w1 m

4.44 fw1 m
2
2

(1-3a)
12

(1-2a)


E2 

w2  m 2w2  m

4.44 fw2  m (1-3b)
2
2

là giá trị hiệu dụng của các s.đ.đ dây quấn 1 và dây quấn 2.
Các biểu thức (1-2a,b) cho thấy s.đ.đ cảm ứng trong dây quấn chậm

pha với từ thông sinh ra nó một góc 2
Dựa và các biểu thức(1-3a,b) người ta định nghĩa tỷ số biến đổi của
máy biến áp như sau:

k

E1 w1

E 2 w2

(1-4)

Nếu không kể điện áp rơi trên các dây quấn thì có thể coi U 1  E 1 ;
U 2  E 2 , do đó k được xem như tỷ số điện áp giữa dây quấn 1 và dây
quấn 2:
k

E1 U 1

E2 U 2

(1-5)

III. Các loại máy biến áp chính:
Theo cơng dụng, máy biến áp có thể gồm những loại chính sau đây:
- Máy biến áp điện lực : dùng để truyền tải và phân phối công suất
trong hệ thống điện lực.
- Máy biến áp chuyên dùng : dùng cho các lò luyện kim, cho các
thiết bị chỉnh lưu, máy biến áp hàn điện,…
- Máy biến áp tự ngẫu : biến đổi điện áp trong một phạm vi không
lớn, dùng để mở máy các động cơ điện xoay chiều.
- Máy biến áp đo lường : dùng để giảm các điện áp và dòng điện lớn
khi đưa vào các đồng hồ đo.
- Máy biến áp thí nghiệm : dùng để thí nghiệm các điện áp cao.
IV.Cấu tạo máy biến áp:
Máy biến áp có 3 bộ phận chính : lõi thép, dây quấn và vỏ máy
1-Lõi thép:
Lõi thép máy biến áp dung để dẫn từ thơng chính của máy được chế tạo
từ những vật liệu dẫn từ tốt ( thường là lá thép kỹ thuật điện ). Lõi thép
gồm 2 bộ phận:
*Trụ: là phần lõi thép có dây quấn.
*Gơng : là phần lõi thép nối các trụ lại với nhau thành mạch từ kín.Mạch
từ được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện mỏng (0,35-0,5mm) 2 mặt có sơn
cách điện, chứa hàm lựơng Silic từ 1-4% nhằm hạn chế tổn hao điện năng
trong mạch từ do tác dụng của dịng Fucơ và hiện tượng từ trễ.
Có 2 dạng mạch từ chính:

13


*Mạch từ kiểu bọc dạng EI, mạch từ được phân nhánh ra 2 biên và bọc
lấy cuộn dây trên cột từ chính từ đó làm giảm từ tản. Dạng mạch từ này
dùng trong máy biến áp 1 pha công suất nhỏ như máy biến áp gia dụng,
máy biến áp cấp điện trong máy tăng âm, thu thanh…
*Mạch từ kiểu trụ hoặc kiểu lõi có dạng U, thường do nhiều lá thép hình
chữ I ghép lại.Dạng mạch từ này được dung trong các máy biến áp có cơng
suất trung bình trở lên, loại máy biến áp 1 pha và 3 pha như máy hàn
điện… nhưng khó gia cơng, giá thành cao.

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, gồm có cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp
thường được chế tạo bằng dây đồng (hoặc dây nhôm) có tiết diện trịn hoặc
hình chữ nhật bề ngồi có bọc cách điện bằng emay hoặc cotton.Các máy
biến áp công suất nhỏ dây quấn thường dùng dây trịn có tiết diện khơng
q 3mm. Đối với dây chịu tải dịng điện lớn ở máy biến áp công suất lớn
dung dây dẹp, tiết diện hình vng hoặc hình chữ nhật.
Dây quấn gồm nhiều vòng dây lồng vào trụ, lõi thép giữa các vịng dây
và 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.Theo cách sắp xếp dây quấn cao
áp và hạ áp ta có 2 loại dây quấn chính là: đồng tâm và xen kẽ.
*Dây quấn đồng tâm: có tiết diện ngang là những vịng trịn đồng
tâm.Dây quấn hạ áp phía trong gần trụ lõi thép cịn dây quấn tăng áp quấn
phía ngồi bọc lấy dây quấn hạ áp.Với cách quấn dây này có thể giảm bớt
được điều kiện cách điện của dây quấn cao áp vì giữa dây quấn cao áp và
trụ đã có cách điện bản thân của dây quấn hạ áp.Những kiểu dây quấn đồng
tâm chính bao gồm:

- Dây quấn hình trụ: Nếu tiết diện dây nhỏ thì dùng dây trịn quấn
thành nhiều lớp. Nếu tiết diện dây lớn hơn thì dung dây dẹt và thường quấn
14


thành 2 lớp.Dây quấn hình trụ, dây trịn thưưịng lấy làm dây quấn cao áp
điện áp tới 35kV, dây quấn hình trụ dây bẹt chủ yếu làm dây quấn hạ áp
vớI điện áp từ 6kV trở xuống.Nói chung dây quấn hình trụ thường dùng
cho các máy biến áp dung lượng 630kVA trở xuống.
- Dây quấn hình xoắn: Gồm nhiều dây bẹt chập lại quấn theo đường
xoắn ốc giữa các vòng dây có rãnh hở.Kiểu này thường được dùng cho dây
quấn hạ áp của máy biến áp dung lượng trung bình và lớn
- Dây quấn xoắn ốc liên tục: Làm bằng dây quấn bẹt và khác với dây
quấn hình xoắn ốc, dây quấn này được quấn thành những bánh dây phẳng
cách nhau bằng những rãnh hở.Bằng cách hoán vị dặc biệt trong khi quấn
các bánh dây được nối tiếp một cách liên tục mà không cần mối hàn giữa
chúng.Dây quấn này chủ yếu làm dây quấn cao áp điện áp 35kV trở lên và
dung lượng lớn.
*Dây quấn xen kẽ:
Các bánh dây cao áp và hạ áp lần lượt xen kẽ dọc theo trụ thép. Để cách
điện dễ dàng các bánh dây sát gong thường thuộc dây quấn hạ áp.Vì chế
tạo và cách điện khó khăn, kém vững chắc về cơ khí nên các máy biến áp
kiểu trụ hầu như không dung kiểu dây quấn xen kẽ mà kiểu dây quấn này
hay dung trong kiểu máy biến áp bọc.
3-Vỏ máy:
Bao gồm 2 phần : thùng và nắp thùng.
*Thùng máy biến áp: thùng máy làm bằng thép, thường là hình bầu dục.
*Nắp thùng: nắp thùng dùng để đậy thùng và trên đó đặt một số các chi
tiết máy quan trọng như các sứ ra của dây quấn CA và HA; bình giãn dầu;
ống bảo hiểm;bộ phận truyền động của bộ đốI các đầu điều chỉnh điện áp

của dây quấn CA.
BÀI 3: MÁY ĐIỆN KHƠNG ĐỒNG BỘ
I.Khái niêm chung:
Máy điện khơng đồng bộ là loại máy điện xoay chiều làm việc theo
nguyên lý cảm ứng điện từ có tốc độ quay của roto ( tốc độ của máy ) n
khác với tốc độ quay của từ trường n 1 .
Máy điện không đồng bộ có 2 dây quấn, dây quấn stato (sơ cấp) nối
với lưới điện tần số không đổi f 1 , dây quấn roto (thứ cấp) được nối tắt
lại hoặc khép kín trên điện trở. Dòng điện trong dây quấn roto được sinh
ra nhờ sức điện động cảm ứng có tần số f 2 phụ thuộc vào roto nghĩa là
phụ thuộc vào tải ở trên trục của máy.
15


II.Phân loại và kết cấu:
1.Phân loại:
Máy điện không đồng bộ có nhiều loại được phân theo nhiều cách
khác nhau: theo kết cấu vỏ máy, theo roto…
Theo kết cấu của vỏ, máy điện khơng đồng bộ chia thành các kiểu
chính: kiểu hở, kiểu bảo vệ, kiểu kín và kiểu phịng nổ.
Theo kết cấu của roto, chia làm 2 loại: loại roto kiểu dây quấn và loại
roto kiểu lồng sóc.
Theo số pha trên dây quấn có 3 loại: 1 pha, 2 pha,3 pha.
2.Kết cấu:
Giống như những máy điện quay khác, máy điện khơng đồng bộ gồm
có các phần chính sau:
2.1.Stato:
Là phần tĩnh gồm 2 bộ phận là lõi thép và dây quấn ngồi ra cịn có
vỏ máy và nắp máy.
a, Lõi thép:

Lõi thép được ép trong vỏ máy làm nhiệm vụ dẫn từ.Lõi thép stato
hình trụ do các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh bên trong ghép lại
với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục. Vì từ trường đi qua lõi thép
là từ trường quay nên để giảm tổn hao lõi thép được làm bằng những lá
thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm ép lại. Mỗi lá thép kỹ thuật điện đều phủ
sơn cách điện trên bề mặt để giảm tổn hao do dịng xốy gây nên.
b,Dây quấn:
Dây quấn stato làm bằng dây dẫn bọc cách điện (dây điện từ) và được
đặt trong các rãnh của lõi thép, kiểu dây quấn hình dạng và cách bố trí sẽ
được trình bày trong phần “cơ sở thiết kế dây quấn stato động cơ không
động bộ”.
c,Vỏ máy:
Vỏ máy làm bằng nhôm hoặc gang, dùng để cố định lõi thép và dây
quấn cũng như cố định máy trên bệ, không dùng để làm mạch dẫn từ.
Đối với máy có cơng suất tương đối lớn(1000 kW) thường dùng thép
tấm hàn lại thành vỏ. Tuỳ theo cách làm nguội máy mà dạng vỏ cũng
khác nhau: kiểu vỏ hở, vỏ bảo vệ, vỏ kín hay kiểu vỏ phịng nổ… Hai
đầu vỏ có nắp máy và ổ đỡ trục. Vỏ máy và nắp máy còn dùng để bảo vệ
máy.
2.2.Roto:
Roto là phần quay gồm có lõi thép, dây quấn.
a,Lõi thép:
16


Nói chung lõi thép vẫn làm bằng lá thép kỹ thuật điện như lõi thép ở
stato. Lõi thép được ép lên một giá của roto của máy hoặc ép trực tiếp
lên trục máy.
b,Dây quấn roto:
Có 2 loại chính: roto lồng sóc và roto dây quấn.

- Loại roto kiểu dây quấn: roto dây quấn giống như dây quấn stato.
Trong máy cỡ trung bình trở lên thường dùng dây quấn kiểu sóng 2 lớp
vì bớt được những đầu nối, kết cấu dây quấn chặt chẽ. Trong máy điện
cỡ nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm một lớp. Dây quấn 3 pha của
roto thường đấu hình sao cịn 3 đầu kia được nối vào 3 vành trượt
thường làm bằng đồng cố định ở một đầu trục và thơng qua chổi than có
thể đấu với mạch điện bên ngoài.
Đặc điểm của loại động cơ điện roto kiểu dây quấn là có thể thơng
qua chổi than đưa điện trở phụ hay suất điện động phụ vào mạch điện
roto để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ
số công suất của máy. Khi máy làm việc bình thường dây quấn roto
được nối ngắn mạch.
- Loại roto kiểu lồng sóc: Kết cấu của loại dây quấn này rất khác so
với dây quấn stato. Trong mỗi rãnh của lõi thép roto đặt vào thanh dẫn
bằng đồng hay nhôm dài ra khỏi lõi thép và được nối tắt ở 2 đầu bằng 2
vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm thành các lồng mà người ta
gọi là lồng sóc.
Ở các máy cơng suất nhỏ, lồng sóc được chế tạo bằng cách đúc nhơm
vào các rãnh lõi thép roto tạo thành thanh nhôm, 2 đầu đúc vòng ngắn
mạch và cánh quạt làm mát. Dây quấn roto lồng sóc khơng cần cách
điện với lõi thép. Để cải thiện tính năng mở máy, trong máy cơng suất
tương đối lớn, rãnh roto có thể làm thành rãnh sâu hoặc làm thành 2 rãnh
(lồng sóc kép). Trong máy điện cỡ nhỏ rãnh roto thường làm chéo đi
một góc so với tâm trục.
Động cơ lồng sóc là loại rất phổ biến do giá thành rẻ và làm việc bảo
đảm. Động cơ roto dây quấn có ưu điểm về mở máy và điều chỉnh tốc độ
động cơ song giá thành cao và vận hành kém tin cậy hơn roto lồng sóc
nên chỉ được dùng khi động cơ roto lồng sóc khơng đáp ứng được các
u cầu về truyền động.
2.3.Khe hở:

Vì roto là một khối tròn nên khe hở đều, khe hở trong máy điện
khơng đồng bộ rất nhỏ (0,2 ÷ 1 mm trong máy điện cỡ nhỏ và vừa) dể
hạn chế dịng điện từ hố lấy từ lưới điện và như vậy mới có thể nâng
cao hệ số cơng st của máy.
17


III.Các chế độ làm việc của máy điện không đồng bộ:
Nguyên lý làm việc của máy điện không đồng bộ là tạo ra một từ
trường quay với tốc độ n1=60f/p
Trong đó: f : tấn số dịng điện lưới đưa vào
p : số đi cực máy
thì từ trường này qt qua dây quấn nhiều pha tự ngắn mạch đặt trên lõi
thép roto và cảm ứng trong dây quấn đó suất điện động và dịng điện. Từ
thơng do dịng điện này sinh ra hợp với từ thông của stato tạo thành từ
thông tổng ở khe hở. Dòng diện trong dây quấn tác dụng với từ thông
khe hở sinh ra momen tác dụng do có tác dụng mật thiết với tốc độ quay
n của roto. Trong những phạm vi tốc độ khác nhau thì chế độ làm việc
của máy cũng khác nhau.
- Khi roto quay thuận với từ trường quay nhưng tốc độ nhỏ hơn tốc
độ đồng bộ thì dịng điện sinh ra trong dây quấn roto cùng chiều với suất
điện động và tác dụng từ trường tổng trong khe hở sinh ra lực F và
momen M kéo roto quay theo chiều từ trường quay. Điện năng đưa tới
roto đã biến thành cơ năng trên trục nghĩa là máy điện làm việc trong
chế độ động cơ. Những máy chỉ làm việc ở chế độ này khi nđó mới có chuyển động tương đối giữa từ trường và dây quấn roto và
như vậy trong dây quấn roto mới có dịng điện và momen kéo roto quay.
Trong những phạm vi tốc độ khác nhau thì chế dộ làm việc của máy
cũng khác nhau.
- Khi roto quay thuận và nhanh hơn tốc độ đồng bộ (dùng một động

cơ sơ cấp nào đó quay roto của máy điện không đồng bộ vượt tốc độ
đồng bộ n>n1) khi đó chiều của từ trường quay quét qua dây dẫn sẽ có
chiều ngược lại suất điện động và dòng điện trong dây dẫn roto cũng đổi
chiều nên chiều của momen cũng ngược chiều quay của n1 nghĩa là
ngược với chiều của roto nên nó là momen hãm. Máy điện đã biến cơ
năng tác dụng lên trục động cơ điện, do động cơ sơ cấp kéo thành điện
năng cung cấp cho lưới điện nghĩa là máy điện làm việc ở chế độ máy
phát điện.
- Khi roto quay ngược chiều với từ trường quay thì chiều của suất
điện động, dịng điện và momen vẫn giống như lúc ở chế độ động cơ
điện. Vì momen sinh ra ngược chiều với chiều quay của roto nên có tác
dụng hãm roto đứng lại. Trong trường này máy vừa lấy điện năng của
lưới vào, vừa lấy cơ năng ở động cơ sơ cấp. Chế độ làm việc này gọi là
chế độ hãm điện từ.
IV.Công dụng của máy điện không đồng bộ:
18


Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều chủ yếu làm
động cơ điện. Do kết cấu đơn giản làm việc chắc chắn hiệu suất cao, giá
thành hạ nên động cơ điện không đồng bộ là loại máy được dùng rộng
rãi nhất trong các ngành kinh tế quốc dân với cơng suất từ vài chục đến
vài nghìn kW. Trong công nghiệp thường dùng máy điện không đồng bộ
làm nguồn động lực cho các máy cán thép vừa và nhỏ, động lực cho các
máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ… Trong các hầm mỏ dùng
làm máy tời hay quạt gió. Trong nơng nghiệp dùng làm máy bơm hay
gia công nông sản. Trong đời sống hàng ngày máy điện khơng đồng bộ
cũng dần chiếm vị trí quan trọng: quạt gió máy quang đĩa, động cơ trong
tủ lạnh… Tóm lại theo sự phát triển của nền điện khí hoá và tự động
hoá, phạm vi ứng dụng của máy điện không đồng bộ ngày càng rộng rãi.

Tuy vậy máy điện khơng đồng bộ cũng có nhược điểm như hệ số
cơng suất cosφ của máy thường khơng cao, đặc tính điều chỉnh tốc độ
không tốt nên ứng dụng của máy điện khơng đồng bộ có phần bị hạn
chế.
Máy điện khơng đồng bộ có thể dùng làm máy phát điện nhưng đặc
tính khơng tốt lắm so với máy điện đồng bộ nên chỉ trong một vài trường
hợp đặc biệt nào đó (như trong q trình điện khí hố nơng thơn) cần
nguồn điện phụ tạm thời thì nó có ý nghĩa quan trọng.
BÀI 4: TÍNH TỐN SỐ LIỆU DÂY QUẤN MÁY BIẾN ÁP
I.Các thông số:
Q: Tiết diện lõi sắt
S: Công suất của máy biến áp
W0:Số vòng cho 1 Volt
∆i: Mật độ dòng điện máy biến áp 2.5÷3 A/mm2
d: Đường kính dây
b: Tiết diện dây
II.Các bước tính số liệu dây quấn máy biến áp một pha
1.Bước 1: Xác định tiết diện Q của lõi thép
Q=ab
(cm2)
Q= S
Đối với lõi chữ O
Q= 0.7 S Đối với lõi chữ E
Hình vẽ

19


2.Bước 2: Tính số vịng dây của các cuộn dây
45 50

W0= Q  5 10%
Phụ thuộc hàm lượng Silic có trong
thép
Số vòng dây cuộn sơ cấp:
W1=W0.U1 (vòng)
Số vòng dây cuộn thứ cấp: W2=W0.(U2+∆U2)
(vịng)
Khi tính số vịng dây cuộn thứ cấp phải dự trù thêm một số vòng
dây để bù trừ sự sụt áp do trở kháng. Độ dự trữ đó được cho trong
bảng sau:
S(VA) 100 200 300 500 750 1000 1200 1500 >1500
∆U2(%) 4.5 4
3.9 3
2.5 2.5 2.5 2.5 2.0
3.Bước 3: Tính tiết diện dây và đường kính dây
Việc tính toán phải dựa vào điều kiện làm việc của máy biến áp:
cơng suất, nơi đặt,…mà chọn mật độ dịng biến áp ∆i cho phù hợp để
khi máy biến áp vận hành định mức, dây dẫn không phát nhiệt quá
80oC
Bảng sau cho phép chọn mật độ dòng ∆i khi máy biến áp làm việc
liên tục 24/24h
S(VA)
0÷50
50÷100 100÷200 200÷250 500÷1000
2
∆i(A/mm ) 4
3.5
3
2.5
2

Nếu máy biến áp làm việc ngắn hạn 3÷5h thơng gió tốt nơi để máy
biến áp thì có thể chọn ∆i=5(A/mm2) để tiết kiệm khối lượng dây đồng.
Thông thường ta chọn ∆i=5 A/mm2
Tiết diện dây sơ cấp được chọn theo các công thức:

20