giáo trình máy điện

CHƯƠNG 1
KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN
1. Định nghĩa và phân loại:
1.1. Định nghĩa:
Máy điện là thiết bị điện từ, nguyên lý hoạt động dựa vào hiện tượng cảm ứng điện
từ.
Về cấu tạo gồm mạch từ (lỏi thép) và mạch điện (cuộn dây), dùng để biến đổi dạng
năng lượng như cơ năng thành điện năng ( máy phát điện ) hoặc ngược lại biến đổi điện
năng thành cơ năng (động cơ điện ), hoặc dùng biến đổi các thông số của mạch điện như
biến đổi điện áp, dòng điện , tần số, số pha….
Máy điện là loại máy phổ biến trong công nghiệp và trong đời sống .
1.2. Phân loại:
Máy điện có nhiều loại và có nhiều cách phân loại ví dụ như phân loại theo công xuất,
theo cấu tạo, theo chức năng dòng điện ( xoay chiều, một chiều ), theo nguyên lý làm việc và
phân loại theo nguyên lý biến đổi điện năng.
a. Máy điện tĩnh:
Máy điện tĩnh làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ do sự biến thiên từ thông
giữa các cuộn dây không có chuyển động tương đối với nhau.
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.
1
Hình 1-2
U
1
,f
ω
̴
U
2
,f

BA
U
1
,f
̴ ̴
Hình 1-1
Loại máy điện này dùng để biến đổi năng lượng, ví dụ biến đổi điện năng sang cơ
năng ( động cơ điện ) hoặc biến đổi cơ năng sang 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.
2. Các định luật cơ bản trong máy điện.
Nguyên lý làm việc của tất cả các loại máy điện dựa vào cơ sở hai định luật cảm ứng
điện từ và luật điện từ.
2.1. Định luật cảm ứng điện từ.
a. Trường hợp từ thông Φ biến thiên xuyên qua vòng dây:
Khi từ thông biến thiên xuyên qua vòng dây dẫn. Trong vòng dây sẽ cảm ứng một sức
điện động. Nếu chọn chiều sức điện động cảm ứng phù hợp với chiều của từ thông theo quy
tắc vặn nút chai, thì sức điện động cảm ứng:
e =
dt
d
φ
−
Dấu (+): chỉ chiều Φ đi từ người đọc vào trang giấy .
2
Hình 1-3. Sơ đồ phân loại máy điện
MÁY ĐIỆN
Máy điện tĩnh
Máy biến áp
Máy điện quay

Máy điện xoay chiều Máy một chiều
Máy
phát 1
chiều
Động
cơ một
chiều
Máy
điện
đồng bộ
Máy điện
không
đồng bộ
Động
cơ
không
đồng
bộ
Máy
phát
không
đồng
bộ
Động
cơ
điện
đồng
bộ
Máy
phát

điện
đồng
bộ
e
Ф
Hình 1-4
- Nếu cuộn dây có W vòng :
e=-w.
dt
d
dt
d
ψφ
−=
Trong đó: Ψ = WΦ gọi là từ thông móc vòng của cuộn dây.
b. Trường hợp thanh dẫn chuyển động trong từ trường.
Khi thanh dẫn chuyển động thẳng góc với đường sức từ trường, thanh dẫn sẽ cảm ứng
sức điện động có trị số là: e=BlV.
 B cường độ từ cảm đo bằng Tesla (T)
 L chiều dài hiệu dụng của thanh dẫn (m)
 V vận tốc thanh dẫn đo bằng m/s
Chiều sức điện động cảm ứng xác định
bằng quy tắc bàn tay phải.
2. Định luật lực điện từ:
Khi thanh dẫn chuyển động mang dòng điện đặt thẳng góc với đường sức của từ
trường ( trường hợp động cơ điện ).
Thanh dẫn sẽ chịu một lực điện từ tác dụng có trị số là:
F = B.l.I (N) .
 B cường độ từ cảm đo bằng Tesla(T)
 I cường độ dòng điện (A)

 L chiều dài tác dụng thanh dẫn đo bằng m
- Chiều lực từ xác định bằng quy tắc bàn tay trái.
3. Định luật mạch từ tính toán mạch từ.
a. Định luật mạch từ:
Lỏi thép máy điện là mạch từ. Mạch từ là mạch khép kín dùng để dẫn từ thông. Định luật
dòng điện toàn phần
∫
∑
= idlH.
→ 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
 W: số vòng dây của cuộn dây
 I: tạo ra từ thông trong mạch từ gọi là dòng điện từ hóa.
 w.i: gọi là sức từ động.
3
Hình 1-5
Hình 1-6
Hình 1-7
l
\
l
i
w
 H.l: gọi là từ áp rơi.
- Đối với mạch từ gồm nhiều cuộn dây và nhiều đoạn khác nhau
H
1
.l
1

+H
2
.l
2
= W
1
i
1
-W
2
I
2
 H
1
,H
2
: tương ứng là cường độ từ trường trong đoạn 1,2
 L
1
, L
2
: chiều dài trung bình đoạn 1,2
 W
1
.i
1
, W
2
.i
2

: sức từ động dây quấn 1,2
 Dấu – trước w
2
.i
2
vì chiều i
2
không phù hợp
với chiều từ thông đã chọn theo quy tắc vặn nút chai

∑∑
==
=
n
l
ll
n
k
kK
iWlH
11

.
Trong đó dòng điện i
l
có chiều phù hợp với chiều Φ đã chọn theo quy tắc vặn nút chai
sẽ mang dấu dương, không phù hợp mang dấu âm.
3. Vật liệu chế tạo máy điện:
Vật liệu dẫn điện, vật liệu dẫn từ, vật liệu cách điện và vật liệu kết cấu.
3.1. Vật liệu dẫn điện

Vật liệu dẫn điện dùng để chế tạo bộ phận dẫn điện. Vật liệu dẫn điện dùng trong máy
điện là đồng và nhôm. Dây đồng và dây nhôm được chế tạo theo tiết diện tròn hoặc chữ
nhật, có bọc cách điện khác nhau như sợi vải, sợi thuỷ tinh, giấy, nhựa hoá học, sợi emay.
3.2. Vật liệu dẫn từ
Vật liệu dẫn từ dùng để chế tạo các bộ phận của mạch từ dùng các vật liệu sắt từ để
làm mạch từ: Thép lá kỹ thuật điện, thép lá thường, thép đúc, thép rèn.
Thép lá kỹ thuật điện dày 0,35- 0,5mm, trong thành phần thép có 2-5% si( để tăng
điện trở của thép, giảm dòng điện xoáy )
Thép kỹ thuật điện được chế tạo bằng phương pháp cán nóng và cán nguội. Thép cán
nguội có độ từ thẩm cao hơn thép cán nóng, dẫn từ tốt hơn.
3.3. Vật liệu cách điện
Làm nhiệm vụ cách ly bộ phận dẫn điện và bộ phận không dẫn điện hoặc cách ly các
bộ phận dẫn điện với nhau.
Trong máy điện, vật liệu cách điện phải có cường độ cách điện cao, chịu nhiệt tốt tản
nhiệt tốt. Chống ẩm và bền về cơ học.
4
Hình 1-8
l
2
, S
2
i
2
W
2
l
1
, S
1
i

W
1
Chất cách điện của máy 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 như PVC, PE.
 Các loại men sơn cách điện
Cấp cách điện Y A E B F H C
Nhiệt độ làm việc 90
0
C 105
0
C 120
0
C 130
0
C 155
0
C 180
0
C >180
0
C
3.4.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. Vật liệu kết cấu thường là gan, thép lá, thép rèn, kim loại màu và hợp
kim của chúng.
4.Nguyên lý máy phát điện và động cơ điện – tính thuận nghịch của máy điện
4.1.Nguyên lý làm việc của máy điện một chiều

Máy điện gồm khung dây abcd đầu nối với 2 phiến góp. Khung dây và phiến góp
quay quanh trục với tốc độ không đổi trong từ trường của nam châm N – S. Các chổi than A
và B đặt cố định và tuỳ sát vào phiến góp
Khi khung dây quay, theo định luật cảm ứng điện từ trong khung dây xuất hiện sức
điện động cảm ứng e = B.l.v (v)
Trong đó:
B: từ cảm nơi dây quấn quét qua (T)
l: chiều dài thanh dẫn nằm trong từ trường (m)
v: vận tốc quét của thanh dẫn (m/s)
Chiều của sức điện động xác định bằng quy tắc bàn tay phải. Sức điện động của
thanh dẫn ab nằm dưới cực từ N có chiều đi từ b đến a, còn của thanh dẫn cd nằm dưới cực
5
Hình 1-9
từ nam (S) có chiều đi từ d→c. Nếu mạch ngoài khép kín sđđ trong khung có chiều đi từ
chổi than A đến chổi than B.
Khi khung dây quay, nếu từ cảm thẳng góc với hướng quay của thanh dẫn phân bố
hình sin→sđđ cũng có dạng xoay chiều hình sin do chổi than A luôn tiếp xúc với thanh dẫn
nằm dưới cực (N), chổi than B tiếp xúc thanh dẫn nằm dưới cực (S)→dòng điện mạch ngoài
chạy từ A→B.
Nói cách khác sđđ và dòng điện xoay chiều được chỉnh lưu thành dòng điện sức điện
động 1 chiều, nhờ hệ thống vành góp và chổi than.
Để có sức điện động lớn → ghép nhiều khung dây đặt lệch nhau một góc trong không
gian→gọi là dây quấn phần ứng, vì thế có nhiều phiến đổi chiều ghép cách điện với nhau→
cổ góp điện ( còn gọi là vành góp ).
Ngược lại khi đưa dòng điện một chiều vào chổi than Avà ra ở chổi than B→ dưới tác
dụng của từ trường lên thanh dẫn tạo ra momen quay có chiều không đổi→đó là nguyên lý
làm việc của động cơ điện một chiều.
4.2. Nguyên lý làm việc của máy điện đồng bộ
Trong hình vẽ trên nếu thay hai vành đổi chiều thành hai vành trượt. Hai chổi than A
và B luôn tì sát, khi khung dây abcd quay với tốc độ n, trên hai vành trượt và mạch ngoài

khép kín → sức điện động và dòng điện xoay chiều có tần số f = p.n/60.
Trong đó: n tốc độ quay vòng/ phút
P số đôi cực của máy
→đó là nguyên lý llàm việc của máy điện đồng bộ 1 pha.
6
Hình 1-10
Hình a. Đấu hình sao
Hình b. Đấu hình tam giác
Thường trong máy điện đồng bộ, cực từ đặt trong roto còn dây quấn phần ứng (khung
dây)→đặt trong phần tĩnh (stato) gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau trong không gian 120
0
đấu
hình sao(Υ) hoặc hình tam giác(Δ).
Quay với tốc độ n, dây quấn phần ứng nối với một tải ngoài ba pha đối xứng thì trong
dây quấn phần ứng sẽ cảm ứng nên một sức điện động và dòng điện 3 pha lệch nhau một góc
120
0
về thời gian và do đó sẽ tạo ra một từ trường quay với tốc độ n
1
=
p
f60
, nghĩa là tốc độ
quay của roto chính vì vậy mà ta gọi là máy điện đồng bộ ba pha.
5. Nguyên lý phát nóng và làm mát máy điện .
Trong quá trình làm việc có tổn hao công xuất. Tổn hao trong máy điện gồm tổn hao
sắt từ (do hiện tượng từ trễ và dòng điện 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 điện mà còn phụ thuộc vào sự
đối lưu của không khí xung quanh hoặc của môi làm mát như dầu máy biến áp v v Thường
vỏ máy điện được chế tạo co rãnh tản nhiệt và máy điện có hệ thống quạt gió 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 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. Công dụng của máy điện.
2. Tính thuận nghịch của máy điện là gì.
3. Trình bày các định luật dùng trong máy điện. Công dụng của từng định luật vào từng loại
máy điện.
4. Nêu các loại vật liệu dùng trong máy điện, đặc điểm từng loại.
7
5. Tại sao phải làm mát động cơ điện.
TÀI LIỆU THAM KHẢO:
- Giáo Trình Máy Điện Tác giả Vũ Gia Hanh (NXB-KHOA HỌC KỸ THUẬT)
- Giáo Trình Kỹ Thuật Điện Tác giả Lê Văn Đào (NXB-KHOA HỌC KỸ THUẬT)
- Giáo Trình Máy Điện Tác giả Nguyễn Hồng Thanh (NXB-GIÁO DỤC)
CHƯƠNG 2
8

MÁY BIẾN ÁP
1. Khái niệm chung
1.1. Định nghĩa
Máy biến áp là một thiết bị điện từ tĩnh, 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, với tần số không đổi.

Máy biến áp có hai dây quấn gọi là máy biến áp có hai dây quấn. Dây quấn nối với
nguồn điện để thu năng lượng gọi là dây quấn sơ cấp. Dây quấn nối với tải để đưa năng
lượng gọi là dây quấn thứ cấp.
Các thông số của dây quấn sơ cấp được ký hiệu bằng chữ in hoa và có thêm chỉ số 1,
tương tự dây quấn thứ cấp ký hiệu và có thêm chỉ số 2 ( ví dụ dòng điện sơ cấp I
1
, điện áp
thứ cấp U
2
).
1.2. Các đại lượng định mức
Các đai lượng định mức do nhà chế tạo quy định và thường ghi trên máy.
• Dung lượng hay công suất định mức S
đm
là công suất toàn phần (hay công suất biểu
kiến) đưa ra ở dây quấn thứ cấp của mba [KVA], [VA].
• Điện áp dây sơ cấp định mức U
1đm
là điện áp của dây quấn sơ cấp tính bằng [KV] hay
[V].
• Dòng điện dây định mức sơ cấp I
1đm
ứng với công suất định mức [A, KA].
• Số vòng dây sơ cấp định mức W
1
.
• Điện áp dây thứ cấp định mức U
2đm
là điện áp dây của dây quấn thứ cấp khi mba
không tải và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức, đơn vị là KV hoặc V.

• Dòng điện dây định mức thứ cấp I
2đm
ứng với công suất định mức, đơn vị là A, KA.
• Đối với mba 1 pha:
I
1đm
=
đm
đm
U
S
1
, I
2đm
=
đm
đm
U
S
2
,
• Đối với mba 3 pha:
9
I
1đm
=
đm
đm
U
S

1
3
, I
2đm
=
đm
đm
U
S
2
3
• Tần số định mức f
đm
tính bằng Hz (f = 50 Hz).
• Ngoài ra trên nhãn máy của mba còn ghi các số liệu như: số pha m, sơ đồ và tổ nối
dây quấn, điện áp ngắn mạch U
n
%, chế độ làm việc và phương pháp làm lạnh.
1.3.Các loại mba chính
Theo công dụng mba gồm những loại chính sau đây:
• M.b.a điện lực dùng để truyền tải và phân phối công suất trong hệ thống điện lực.
• Mba chuyên dùng cho các lò luyện kim, cho các thiết bị cỉnh lưu mba hàn điện.
• Mba tự ngẫu biến đổi điện áp trong phạm vi không lớn lắmdùng để mở máy các động
cơ điện xoay chiểu.
• Mba đo lường dùng để giảm các điện áp và dòng điện lớn để đưa vào các đồng hồ đo.
• Mba thí nghiệm dùng để thí nghiệm các điện áp cao.
2.Cấu tạo

2.1.Lõi thép:
10
Sứ cao áp
Sứ hạ áp
Cánh tản
nhiệt
Nắp thùng
Thùng
Bình giản dầu
Ống an
toàn
Đế
Hình 2-1. Hình dạng chung của máy biến áp
Lõi thép dùng để làm mạch từ, đồng thời làm khung để quấn dây quấn.
• Mba kiểu lõi hay kiểu trụ: dây quấn bao quanh trụ thép, loại này rất thông dụng cho
các mba 1 pha và 3 pha, dung lượng nhỏ và trung bình.
• Mba kiểu bọc: mạch từ được phân nhánh ra 2 bên và bọc lấy một phần dây quấn, loại
này dùng cho mba có công 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 có kiểu bọc, vừa có kiểu trụ.
• Mba có lõi hình xuyến: sử dụng trong máy biến áp đo lường, máy biến áp điêu chỉnh
vô cấp.
• Lõi thép mba gồm 2 phần: phần trụ ký hiệu chữ T và phần gông ký hiệu chữ G. Trụ
là phần lõi thép có quấn dây quấn, gông là phần lõi thép nối các trụ với nhau thành
mạch kín và không có dây quấn.
Lõi thép được ghép bới các lá thép kỹ thuật điện dày từ 0,35 – 0,5mm, có phủ sơn
cách điện trên bề mặt (giảm dòng điện xoáy). Trụ và gông có thể ghép nối hoặc ghép xen kẽ,
ghép nối thì trụ và gông ghép riêng, sau đó dùng sà ép và bu lông vít siết chặt lại. Ghép xen
kẽ thì toàn bộ lõi thép phải ghép đồng thời và các lá thép được ghép xen kẽ với nhau.
Phương pháp này tuy phức tạp nhưng giản được dòng điện xoáy và bền về phương diện cơ

học, do vậy hầu hết các máy biến hiện nay đều dùng kiểu ghép này.
11
T
T
T
T
G
T
T
G
Ф
T
G
Hình 2-3. Lỏi thép kiểu bọc, 1 pha, 3 pha
1 2
T
G
Ф
1 2
T
G
T
T
G
Ф
Hình 2-2.Lỏi thép kiểu trụ: 1 pha và 3 pha
2.2. Dây quấn
Dây quấn là bộ phận dẫn điện của mba làm nhiệm vụ thu năng lượng và truyền năng
lượng ra. Kim loại làm dây quấn thường là đồng, cũng có thể bằng nhôm nhưng không phổ
biến.

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 dây này có thể giảm bớt được điều kiện cách điện dây quấn cáo áp (kích
thước rãnh dầu cách điện, vật liệu cách điện dây quấn cao áp) bởi vì dây quấn cao áp và trụ
đã có cách điện của dây quấn hạ áp.
Đôi khi người ta thực hiện quấn xen kẽ giữa dây quấn hạ áp và cao áp.
2.3. Vỏ máy
Vỏ máy gồm 2 phần: thùng và nắp thùng.
a.Thùng mba:
Thùng làm bằng thép, thường là hình bầu dục, lúc mba 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 tăng lên. Do đó, giữa mba và môi trường xung quanh có một hiệu số nhiệt độ
gọi là độ chênh nhiệt. Nếu độ chênh nhiệt đó vượt quá mức quy định sẽ làm giảm tuổi thọ
cách điện và có thể gây sự cố đối với mba, để đảm bảo vận hành với tải liên tục trong thời
gian quy định (từ 15 – 20 năm) và không bị sự cố tăng cường làm lạnh bằng cách ngâm mba
trong thùng dầu.
12
Hình 2-4. ghép rời lỏi thép Hình 2-5. ghép xen kẻ lỏi thép

b. Nắp thùng:
Dùng để đậy thùng và trên đó đặt các chi tiết quan trọng của máy như sứ CA và HA:
làm nhiệm vụ cách điện giữa dây dẫn ra với vỏ máy.
• Bình giãn dầu: là một thùng hình trụ bằng thép đặt trên nắp và nối với thùng bằng một
ống dẫn dầu.
• Ống bảo hiểm: làm bằng thép, thường là hình trụ nghiêng, một đầu nối với thùng, một
đầu bịt bằng một đĩa thuỷ tinh.
3. Nguyên lý hoạt động của mba
Khảo sát nguyên lý hoạt động của mba 1 pha có 2 dây quấn

W

1
, W
2
. Khi nối dây
quấn W
1
vào nguồn điện xoay chiều có điện áp U
1
sẽ có dòng điện sơ cấp i
1
chạy trong dây
quấn sơ cấp W
1
. Dòng điện i
1
sinh ra từ thông phi


13
Hình 2-6
Hình 2-7
biến thiên chạy trong lõi thép, từ thông này móc vòng (xuyên qua), đồng thời với cả 2 dây
quấn W
1
và

thứ cấp W
2
, được gọi là từ thông chính.
Theo định luật cảm ứng điện từ, sự biến thiên của từ thông làm cảm ứng vào dây quấn

sơ cấp một suất điện động:
e
1
= -W
1
dt
d
φ
(1), và dây quấn thứ cấp e
2
= -W
2
dt
d
φ
(2)
Trong đó W
1
và W
2
là số vòng dây quấn sơ cấp và thứ cấp. Khi mba không tải, dây quấn thứ
cấp hở mạch (i
2
= 0) từ thông chính trong lõi thép chỉ do dòng điện sơ cấp i
0
tạo ra (i
0
gọi là
dòng điện không tải.
Khi mba có tải, dây quấn thứ cấp nối với tải có tổng trở Z

t
dưới tác dụng của dòng e
2
,
có dòng điện thứ cấp i
2
cung cấp điện cho tải. Khi ấy từ thông chính do đồng thời cả 2 dòng
điện sơ cấp i
1
và thứ cấp i
2
sinh ra.
Vì điện áp U
1
hình sin nên từ thông cũng biến thiên hình sin
φ
=
t
ωφ
sin.
max
Ta có: e
1
= -W
1

))(
2
sin( 2 44,4
)sin.(

1max
max
vtWf
dt
td
π
ωφ
ωφ
−=
(3)
=E
1
.
))(
2
sin(.2 vt
π
ω
−
e
2
=W
2
.
))(
2
sin( 2 44,4
)sin.(
2max
max

vtWf
dt
td
π
ωφ
ωφ
−=

= E
2
.
))(
2
sin(.2 vt
π
ω
−
Trong đó: E
1
=4,44 f.Φ
max
.W
1
E
2
=4,44 f.Φ
max
.W
2
E

1,
E
2:
Trị số hiệu dụng sức điện động sơ cấp, thứ cấp. Sức điện động sơ cấp và thứ cấp cùng
tầng số nhưng trị hiệu dụng khác nhau.
Nếu chia E
1
cho E
2
:
K=
2
1
2
1
W
W
E
E
=
K: gọi là hệ số biến áp
Nếu bỏ qua điện trở dây quấn và từ thông tản ra ngoài không khí, có thể coi gần đúng
U
1
≈
E
1
, U
2
≈

E
2
, ta có:
14

K
W
W
E
E
U
U
==≈
2
1
2
1
2
1
*Đối với máy tăng áp có: U
2
> U
1
, W
2
> W
1

*Đối với máy giảm áp có: U
2

< U
1
, W
2
< W
1

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 truyền từ dây quấn sơ cấp sang thứ cấp.
Nếu bỏ qua tổn hao trong máy, có thể coi gần đúng quan hệ giữa các đại lượng sơ cấp
và thứ cấp như sau:
U
1
.I
1
≈

U
2
.I
2
K
I
I
U
U
≈≈⇒
1
2
2

1
4. Các phương trình cân bằng điện và từ của mba
Khi viết hệ phương trình, trước hết ta chọn chiều i
1
như hình vẽ. Theo quy tắc vặn nút
chai, chiều
φ
phù hợp với chiều i
1
, chiều e
1
, e
2
phù hợp với chiều
φ
nghĩa là e
1
, i
1
trùng
chiều. Chiều i
2
được chọn ngược chiều với e
2
nghĩa là chiều i
2
không phù hợp với chiều
φ

theo quy tắc trên.

Ngoài từ thông chính còn có từ thông tản, từ thông tản không chạy trong lõi thép mà
chạy tản ra trong không khí, các vật liệu cách điện.
Từ thông chỉ móc vòng riêng rẽ ở mỗi dây quấn. Từ thông tản móc vòng sơ cấp, ký
hiệu
1t
ϕ
do dòng điện sơ cấp i
1
gây ra,
2t
ϕ
do dòng điện thứ cấp i
2
gây ra. Từ thông tản đặc
trưng bằng điện cảm tản.
• Điện cảm tản dây quấn sơ cấp L
1
=
1
1
i
t
ϕ
• Điện cảm tản dây quấn thứ cấp L
2
=
2
2
i
t

ϕ
4.1. Phương trình cân bằng điện sơ cấp
Xét mạch điện sơ cấp gồm điện áp U
1
, sức điện động e
1
, điện trở dây quấn R
1
, điện
cảm tản L
1
. Áp dụng định luật K2 ta có phưong trình cân bằng điện sơ cấp dưới dạng trị số
tức thời là:
R
1
.i
1
+ L
1
1
1
111111
1
. e
dt
di
LiRUeU
dt
di
−+=⇒+=

15
Nếu viết dưới dạng phức:
*Tổng trở phức dây quấn sơ cấp:
11111
jXRLjRZ +=+=
•
ω
*Phương trình cân bằng điện sơ cấp:
•••••••
−=−+=
111111111
EIZEIXjIRU
4.2. Phương trình cân bằng điện thứ cấp
Mạch thứ cấp gồm e
2
, điện trở dây quấn thứ cấp R
2
, điện cảm tản L
2
, tổng trở
•
t
Z
R
2
.i
2
+L
2
.

22
2
eu
dt
di
=+
dt
di
LiReu
2
22222
−−=⇒
Nếu viết dưới dạng phức:
*Tổng trở phức dây quấn thứ cấp:
22222
XjRLjRZ +=+=
•
ω
*Phương trình cân bằng điện thứ cấp
*Điện áp thứ cấp u
2
chính là điện áp đặt lên tải do đó:
•••
=
222
.IZU

4.3. Phương trình cân bằng sức từ động
Trong phương trình cân bằng điện sơ cấp;
••••

−=
1111
. EZIU
, điện áp rơi
••
11
.ZI
thường rất
nhỏ vì thế có thể lấy gần đúng U
1
1
E≈
.
Vì điện áp lưới đặt vào máy biến áp U
1
không đổi→E
1
không đổi→từ thông chính
Φ
max
sẽ không đổi ở chế độ không tải, từ thông chính do sức từ động của dây quấn sơ cấp
i
0
.W
1
sinh ra, còn ở chế độ có tải thông chính do sức từ động cả hai dây quấn sơ cấp và thứ
cấp sinh ra. Sức từ động lúc có tải là i
1
.w
1

-i
2
.w
2
( dấu - trước i
2
vì chiều i
2
ngược chiều Φ )- Vì
Φ
max
không đổi, cho nên sức từ động không tải bằng sức từ động lúc có tải do đó phương
trình cân bằng từ viết dưới dạng tức thời:
i
0.
w
1
=i
1
.w
1
+i
2
.w
2
, chia cả hai vế cho w
1
→i
0
=i

1
+i
2
.
,
21
2
1
2
1
21
1
2
1
. ii
K
i
i
w
w
ii
w
w
+=+=+=
hoặc i
1
=i
0
+(-
)

,
2
i
,
)(
2
,
2
K
i
i =

,
2
i
: dòng điện thứ cấp quy đổi về sơ cấp.
Phương trình cân bằng từ viết dưới dạng phức:
].[),(
1
2
2
'
2
'
201
W
W
IIIII
•
••

••
=−+=
16
* Phương trình cân bằng từ cho ta thấy quan hệ giữa mạch điện sơ cấp và thứ cấp.
Lúc mba có tải, dòng điện trong dây quấn sơ cấp
•
1
I
gồm 2 thành phần: một thành phần
là
•
0
I
dùng để tạo ra từ thông chính trong lõi thép và một phần là (-
•
'
2
I
) dùng để bù lại tác
dụng của dòng điện thứ cấp. Do đó khi tải tăng lên, nghĩa là dòng điện sơ cấp
•
1
I
cũng tăng
lên để giữ sao cho dòng điện
•
0
I
đảm sinh ra từ thông trong máy hầu như không đổi. Chính vì
thế dây quấn sơ cấp nhận thêm năng lượng từ lưới để truyền sang dây quấn thứ cấp, cung

cấp cho tải.
5. Mạch điện thay thế của mba
Khi nghiên cứu chế độ làm việc của mba dựa vào sự tính toán phối hợp của mạch điện
và mạch từ ứng với chế độ bảo hoà khác nhau của lõi thép gặp nhiều khó khăn. Để đơn giản
trong tính toán, 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 có 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 có cùng điện áp. Thực tế, (U
1

≠
U
2
) vì vậy phải quy đổi một
trong hai dây quấn về dây quấn kia, thông thường là quy đổi dây quấn thứ cấp về sơ cấp.
Việc quy đổi sao cho không 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
, dòng điện I
'
2
).
5.1. Số đ.đ và điện áp thứ cấp quy đổi
'
2
E

và U
'
2
Ta có:
22
2
1
1
2
1
2
1
EKE
W
W
E
W
W
E
E
==⇒=
Mặc khác khi thay đổi dây quấn thứ cấp về dây quấn sơ cấp W
2
= W
1
nên sđđ thứ cấp
quy đổi lúc này bằng sđđ sơ cấp:
2
'
21

'
2
.EKEEE =⇒=
, (K=
)
2
1
W
W
gọi là hệ số quy đổi thứ cấp về sơ cấp.
Tương tự ta có: U
'
2
=K.U
2

17
5.2.Dòng điện thứ cấp quy đổi I
'
2
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: E
2
.I
2
=
'
2
'
2

.IE
Do đó dòng điện thứ cấp quy đổi: I
2
'
2
2
2
'
2
.
1
. I
KE
E
I ==
Điều này có nghĩa là để đảm bảo cho công suất trong mạch thứ cấp không đổi, thì nếu E
2

tăng lên K lần, I
2
giảm xuống K lần và ngược lại.
5.3. Điện trở, điện kháng và tổng trở thứ cấp quy đổi
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'
22
2
2

rIr =
Do đó, điện trở thứ cấp quy đổi: r
2
2
2
2
'
2
2
'
2
.)( rKr
I
I
==
Về mặt vật lý, điều này có nghĩa là khi quy đổi nếu dòng điện I
2
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 K
2
lần.
• Tương tự điện kháng thứ cấp quy đổi: X
2
'
2
.XK=
• Tổng trở thứ cấp quy đổi: Z
2
2

22
'
2
'
2
'
2
.)( ZKjXrKjXK =+=+=
• Đối với tải ở mạch thứ cấp ta cũng có: Z
tt
ZK .
2'
=
(Z
t
= r
t
+ jX
t
tổng trở tải lúc chưa
quy đổi).
5.4.Các phương trình quy đổi
Thay các đại lượng quy đổi vào các phương trinh cân bằng sức điện động và sức từ
động ở trên ta được hệ thống các phương trình đó viết dưới dạng quy đổi như sau:

••••
+−=
1111
.ZIEU

••••
+−=
2222
.ZIEU

••
•
−=
'
2
'
01
III
Sau này việc nghiên cứu mba chủ yếu dựa vào các phương trình quy đổi
5.5.Mạch điện thay thế của mba
18
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:
111
jXrZ +=
•
và
'
2
'
2
'

2
jXrZ +=
•
và nhanh thứ ba còn lại là nhánh từ hoá có tổng trở
Z
m
=r
m
+jX
m
.
5.6.Mạch điện thay thế đơn giản
Trên thực tế Z
m
>> Z
1
và
'
2
Z
(nếu biểu thị theo đơn vị tương đối thường
*
m
Z
= 10 – 50,
còn
)01,0025,0
'
21
**

−=≈
ZZ
nên trong nhiêu trường hợp có thể xem Z
m
=
∞
nghĩa là coi
•
0
I
, do
đó
•
•
−=
'
21
II

Như vậy, mba có thể thay bằng mạch điện đơn giản
nnn
jXrZ +=
•
r
n
=r
1
+
'
2

r
X
n
=X
1
+X
'
2

6. Đồ thị vectơ của mba
Đồ thị được vẽ dựa vào sức điện động và sức từ động. Đặt
m
φ
theo chiều dương trục
hoành, dòng điện
•
0
I
sinh ra
m
φ
vượt trước một góc
α
. Các sức điện động E
1
và
1
'
2
EE =

do
m
φ

sinh ra chậm sau nó một góc 90
0
, vì tải có tính chất điện cảm nên dòng điện
•
,
2
I
chậm sau sức
điện động
,
2
E
góc
2
ψ
.
19
,
t
Z
•
,
2
X
,
2

R
R
1
X
1
•
1
U
~
,
t
Z
•
,
2
•
U
~
1
•
I
0
•
I
R
th
X
th
,
2

I
,
2
R
,
2
X
X
1
R
1
•
1
U
Hình 2-8
Hình 2-9
Z
1
•
−
,
2
U
,
21
••
−=
II
,
t

Z
•
R
n
X
n
•
1
U
~

,
2
,
,
2
,
2
rr
xx
arctg
t
t
+
+
=
ψ

Ta có:
)(

,
201
•
••
−+= III
•
,
2
U
là tổng hình học của các vectơ
•
,
2
E
với sức điện động tản
,
2
,
2
,
2
XIjE
t
••
−=
và điện áp rơi
-
••
,
2

,
2
,
2
IrI
chậm sau
•
2
U
góc
2
ϕ
và
••
<
,
2
,
2
EU
.
7. Các tham số của máy biến áp
Để xác định các tham số của máy biến áp ta dùng hai thí nghiệm không tải và thí
nghệm ngắn mạch.
7.1. Thí nghiệm không tải
Đặt điện áp hình sin vào cuộn sơ cấp U=U
1đm
, hở mạch thứ cấp nhờ Vônmet,
Ampemet và oatmet đo điện áp U
1

, U
20
, I
0
và P
0
.
Từ các tham số thí nghiệm ta xác định đươc tổng trở, điện trở và điện kháng mba lúc
không tải.
20
Hình 2-10. Đồ thị vectơ
Tải mang tính chất điện
cảm
2
ϕ
2
ϕ
1
ϕ
α
,
2
,
2
zI
•
−
,
22
rI

•
−
-j
•
,
2
U
•
•
=
,
2
1
EE
j
11
zI
•
•
1
U
11
rI
•
•
−
,
1
E
•

−
,
2
I
•
,
2
I
•
1
I
I
0
Ф
m
j
n
rI
1
•
−
n
zI
1
•
1
•
U
,
2

•
U
,
21
••
−=
II
2
ϕ
Hình 2-11. Đồ thị vectơ
ứng với sơ đồ thay thế đơn
giản, lúc tải điện cảm
Z
0
=
2
0
2
00
2
0
0
0
0
1
,, RZX
I
P
r
I

U
−==
. Thường
0,50,1,5010
***
000
÷=÷== rXZ
Ngoài ra ta xác định được tỉ số biến đổi của mba: K
20
1
2
1
U
U
W
W
==
Và hệ số công xuất lúc không tải: cos
01
0
0
.IU
P
=
ϕ
Lúc máy biến áp có tải (
)0
,
2
=

•
I
, mạch điện thay thế như hình vẽ, như vậy các thông số
không tải Z
0
, r
0
, X
0
chính là:
Z
0
=
m
ZZ −
1
, r
0
=r
1
+r
m
, X
0
=X
1
+X
m
( r
1

, x
1
rất nhỏ ). Z
0
mmm
XXrrZ ≈≈≈
00
,,
Vì công xuất P
0
thực tế có thể xem là tổn hao sắt P
Fe
do từ trễ và dòng điện xoáy tạo
nên: P
0
=P
Fe
Khi không tải ta có hệ phương trình:
)(.
11011011
jXrIEZIEU ++−=+−=
••••
•

••
•
•
=
=
01

,
22
II
EU
Từ đồ thị vectơ góc lệch giữa u
1
và I
0
là
0
0
90≈
ϕ
nghĩa là hệ số công xuất lúc không tải
rất thấp. Thường cos
→≤ 1,0
0
ϕ
không nên để mba làm việc không tải hoặc non tải sẽ làm xấu
hệ số cos
ϕ
của lưới điện.
7.2. Thí nghiệm ngắn mạch
Dây quấn thứ cấp bị nối ngắn mạch, điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp phải hạ thấp sao
cho dòng điện trong đó bằng dòng điện định mức, cũng như thí nghiệm không tải các số liệu
ngắn mạch U
n
, I
n
và P

n
đo được, ta xác định các tham số ngắn mạch của mba:
21
I
0
P
0
U
20
V
V
WA
U
1
0
•
I
1
•
−
E
x
m
r
m
R
1
X
1
•

1
U
~
Hình 2-12. Sơ đồ thí nghiệm
không tải của m.b.a
Hình 2-13. Mạch điện thay thế
m.b.a lúc không tải

22
2
,,
nnn
n
n
n
n
n
n
rZX
I
P
r
I
U
Z −===
Lúc ngắn mạch, điện áp đặt vào rất bé,
nên từ thông chính rất bé. Do đó mạch
điện thay thế của mba có thể xem như
hở mạch từ hoá và còn lại mạch nối tiếp
của hai tổng trở sơ cấp và thứ cấp, có thể thay thế bằng tổng trở đẳng trị gọi là tổng trở ngắn

mạch của mba.

,
21
,
21
,
21
,, XXXrrrZZZ
nnn
+=+=+=
(
)10,0025,0
,
21
**
÷=≈ ZZ
Vì i
0
rất nhỏ → công xuất lúc ngắn mạch là công xuất dùng để bù vào tổn hao đồng
trong dây quấn sơ cấp và thứ cấp của mba.
P
n
=P
cu1
+ P
cu2
=
nnnnn
rIrrIrIrI .)(

2
1
,
21
2
1
,
2
2
21
2
,
=+=+

Điện áp ngắn mạch cân bằng điện áp rơi trong máy biến áp, gồm hai thành phần:
• Thành phần tác dụng: U
nr
=I
n
.r
n
• Thành phần phản kháng: U
nX
=I
1
.X
n
Tam giá OAB gọi tam giác điện áp ngắn mạch:
U
nr

=U
n
.cos
nXn
U,
ϕ
=U
n
.sin
n
ϕ
,
n
ϕ
là góc giữa U
n
và I
n
.
22
I
n
P
n
V
WA
U
n
,
2

x
,
2
r
r
1
x
1
•
1
U
~
Hình 2-14. Sơ đồ thí nghiệm
ngắn mạch m.b.a
Hình 2-15. Mạch điện thay thế
của m.b.a lúc ngắn mạch
n
I
•
z
n
r
n
x
n
•
n
U
~
Hình 2-16. Mạch điện thay

thế đơn giản
U
nx
φ
n
U
nR
U
n
φ
n
R
n
x
n
z
n
Hình 2-17. Tam giác điện áp
ngắn mạch
Hình 2-18. Tam giác tổng trở
ngắn mạch
Trong các mba điện lực điện áp ngắn mạch được ghi trên nhãn của máy và thường
được biểu diễn bằng tỷ lệ phần trăm.
100.
.
100.%
đm
nđm
đm
n

n
U
ZI
U
U
U ==
)(.10
)(
100.
.
100
.
100.
.
100.
2
KVAS
WP
S
rI
I
I
r
U
I
U
rI
U
U
U

đm
nnđm
đm
đm
n
đm
đm
đm
nđm
đm
nr
nr
=====
100.
.
100.%
đm
nđm
đm
nX
nX
U
XI
U
U
U ==
U
n
%=5,5-15 số đầu U
đm

KV35
≤

số sau U
đm
= 500KV
Chú ý: Ngắn mạch trên gọi là ngắn mạch thí nghiệm với điện áp đặt vào rất nhỏ để I
n
=I
đm
.
Khi mba đang làm việc với điện áp sơ cấp định mức nếu xảy ra ngắn mạch gọi là ngắn
mạch vận hành.

100.
%
100.
100.
.
100.
100
n
đm
đm
đmn
đm
đm
đm
n
đm

n
đm
n
U
I
U
IZ
I
I
I
Z
U
Z
U
I ====
Ví dụ:
Một máy biến áp có U
n
%=10 thì dòng ngắn mạch sự cố I
n
=
đm
đm
I
I
10100.
10
=
Vd: cho một máy biến áp ba pha có các số liệu sau đây: S
đm

=5600KVA;
U
1
/U
2
=35000/66000
V
; I
1
/I
2
=92,5/420A; P
0
=18,5KW; I
0
=4,5%; U
n
=7,5%; P
n
=57KW; f=50Hz;
Y/Δ-11.
a. xác định các tham số lúc không tải Z
0
, r
0
, X
0
.
b. Xác định các tham số Z
n,

r
n,
X
n
và các thành phần điện áp ngắn mạch.
Giải
a. Điện áp pha sơ cấp:
U
1f
=
20200
3
35000
3
1
==
f
U
(v)
23
Dòng điện pha không tải:
I
0t
=0,045I=0,045.92,5=4,16(A)
Các tham số không tải:
Z
0
=
)(4859
16,4

20200
0
1
Ω==
f
f
I
U

)(47003564850
)(356
16.4.3
18500
3
222
0
2
00
2
0
0
0
Ω=−=−=
Ω===
rZX
I
P
r
f
b. Điện áp ngắn mạch tính từ phía sơ cấp:

U
1n
=U
1f
.U
n
=20200.0,075=1520(v)
Các tham số ngắn mạch:

)(3,168,14,16
)(8,1
5,92.3
5700
.3
)(4,16
5,92
1520
2222
22
1
1
1
Ω=−=−=
Ω===
Ω===
nnn
f
n
n
f

n
n
rZX
I
P
r
I
U
Z
Các thành phần của điện áp ngắn mạch:
U
nr
%=
825,0
20200
8,1.5,92
100.
.
1
1
==
f
nf
U
rI
U
nX
%=
45,7100.
20200

3,16.5,92
100.
.
1
1
==
f
nf
U
rI
8. Chế độ có tải của mba:
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 của tải, người ta dùng hệ số tải k
t
.
k
t
=
dmdm
I
I
I
I
1
1
2
2
≈
k
t

=1 tải định mức.
k
t
<1 non tải
k
t
>1 quá tải
8.1. Độ thay đổi điện áp:
Khi mba làm việc điện áp đầu ra U
2
thay đổi theo trị số và tính chất điện cảm hoặc
điện dung của tải (dòng I
2
), do có điện áp rơi trên dây quấn sơ cấp và thứ cấp. Hiệu số học
24
giữa các trị số của điện áp thứ cấp lúc không tải U
20
và lúc có tải U
2
trong điều kiện U
1đm
gọi
là độ thay đổi điện áp:
20
2
22022202
).
100
%
1( U

U
UUUUUU
∆
−=−=∆⇒−=∆
(Với
%)100.%
20
220
2
U
UU
U
−
=∆
Tải điện dung I
2
tăng thì U
2
tăng. Khi tải điện cảm hoặc điện trở I
2
tăng thì U
2
giảm (tải
điện cảm U
2
giảm nhiều hơn).
8.2. Cách điều chỉnh điện áp:
Trong thực tế muốn giữ điện áp U
2
không đổi khi mba làm việc với các tải khác nhau

thì phải điều chỉnh điện áp bằng cách thay đổi lại số vòng dây, nghĩa là thay đổi tỉ số biến
đổi K=
2
1
W
W
Thông thường việc điều chỉnh điện áp được thực hiện ở phía (CA) vì ở dây quấn
(CA) dòng điện nhỏ hơn so với dây quấn hạ áp.
Nếu công suất nhỏ thì ở mỗi pha có 3 đầu phân nhánh của mỗi pha để điều chỉnh điện
áp trong phạm vi
±
5%U
đm
, nếu máy có công suất lớn thì mỗi pha có 5 đầu dây ra và phạm
vi điều chỉnh
±
2,5% U
đm
và
±
5% (hình vẽ).
8.3. Hiệu suất của mba:
Hiệu suất
η
của mba là tỷ số giữa công suất đầu ra P
2
và công suất đầu vào P
1
.
100).1(100).(%100.%

21
1
1
2
fecu
fecu
PPP
PP
P
PP
P
P
++
+
−=
−
==
∑
η
nttđmt
tđmt
PKPSK
SK
.cos
cos
%
2
0
++
=⇒

ϕ
ϕ
η
P
2
= S
2
.cos
tđmtt
SK
ϕϕ
cos =
25
L
R
C
U
2
1
0,5
L
C
R
4
0
∆u
2
%
U
20

0
Hình 2-19. Đường đặc tính ngoài của máy
biến áp