máy điện 1

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<b>Lời nói đầu </b>

Máy điện nghiên cứu những ứng dụng của các hiện tượng điện từ nhằm biến đổi năng lượng. Máy điện là phần tử quan trọng nhất của bất kỳ thiết bị điện năng nào. Nó được sử dụng rộng rãi trong dân dụng, nông nghiệp, công nghiệp, giao thông vận tải, các hệ điều khiển và tự động điều chỉnh, khống chế.

Điện năng được sử dụng rộng rãi trong mọi lãnh vực vì các ưu điểm sau: • Điện năng được sản xuất tập trung với nguồn công suất lớn.

• Điện năng có thể truyền tải đi xa với hiệu suất cao.

• Điện năng dễ dàng biến đổi thành các các dạng năng lượng khác.

• Nhờ điện năng có thể tự động hố mọi q trình sản xuất, nâng cao năng suất lao động.

Điện năng tuy được phát hiện chậm hơn các năng lượng khác, nhưng với việc phát hiện và sử dụng điện năng đã thúc đẩy cách mạng khoa học công nghệ tiến như vũ bão sang kỹ ngun điện khí hố và tự động hố. Vào cuối thế kỷ 19, ngành kỹ thuật điện tử ra đời và giữa thế kỷ 20 chế tạo được linh kiện điện tử cơng suất có điều khiển, từ dó điện tử cơng suất phát triễn đã thúc đẩy và làm thay đổi tận gốc rễ lãnh vực kỹ thuật điện. Kỹ thuật điện và kỹ thuật điện tử hoà nhập phát triễn, cùng với công nghệ thông tin đã đưa nền sản xuất xã hội sang giai đoạn kinh tế tri thức. Máy điện cũng khơng đứng ngồi sự phát triễn đấy.

<b>Giáo trình Máy điện I này gồm ba phần : </b>

Phần I cung cấp các kiến thức về máy biến áp.

Phần II cung cấp các kiến thức chung về máy điện xoay chiều.

Phần III cung cấp các kiến thức nguyên lý, cấu tạo, đặc tính và ứng dụng của máy điện khơng đồng bộ.

Giáo trình Máy điện I được biên soạn dựa trên kinh nghiệm giảng dạy nhiều năm ở nhóm chun mơn Điện Cơng Nghiệp - Khoa Điện - Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học Đà Nẵng và tham khảo giáo trình của các trường bạn. Đây là giáo trình đưa lên mạng nhằm giúp cho sinh viên chuyên ngành điện làm tài liệu tham khảo và học tập.

Do trình độ có hạn, giáo trình Máy điện I khơng tránh khỏi thiếu sót, xin hoan nghênh mọi sự góp ý của bạn đọc. Các ý kiến đóng góp xin gởi về tác giả ở nhóm chuyên môn Điện Công Nghiệp - Khoa Điện - Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học Đà Nẵng.

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<b>Đại Học Đà Nẵng - Trường Đại học Bách Khoa Khoa Điện - Nhóm Chun mơn Điện Cơng Nghiệp </b>

<b>Giáo trình MÁY ĐIỆN 1 </b>

<b>Biên soạn: Bùi Tấn Lợi </b>

<b>Chương 0 </b>

<b>0.1 ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI </b>

<b>0.1.1. Định nghĩa. </b>

Máy điện là thiết bị điện từ, nguyên lý làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện tư,ì về cấu tạo gồm mạch từ (lõi thép) và mạch điện (dây quấn), dùng để biến đổi các dạng năng lượng như cơ năng thành điện năng (máy phát điện) hoặc ngược lại như điện năng thành cơ năng (động cơ điện), hoặc dùng để biến đổi các thơng số điện năng như điện áp, dịng điện, tần số, số pha ...

<b>0.1.2. Phân loại máy điện. </b>

Máy điện có nhiều loại và có nhiều cách phân loại khác nhau. Ở đây ta phân loại máy điện dựa vào nguyên lý biến đổi năng lượng như sau :

<i>1. Máy điện tĩnh : </i>

Máy điện tĩnh làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, do sự biến đổi từ thông trong các cuộn dây khơng có sự chuyển động tương đối với nhau. Máy điện tĩnh thường dùng để biến đổi các thông số điện năng như máy biến áp biến điện áp xoay chiều thành điện áp xoay chiều có giá trị khác,..

<i>2. Máy điện quay (hoặc có loại chuyển động thẳng): </i>

Máy điện quay làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, lực điện từ do từ trường và dòng điện trong các cuộn dây gây ra. Loại máy nầy dùng để biến đổi dạng năng lượng như cơ năng thành điện năng (máy phát điện) hoặc ngược lại như điện năng thành cơ năng (động cơ điện). Quá trình biến đổi năng lượng nầy có tính thuận nghịch nghĩa là máy điện có thể làm việc ở chế độ máy phát điện hoặc động cơ điện.

Sơ đồ phân loại máy điện thường gặp:

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

Máy điện quay

<b>0.2 CÁC ĐỊNH LUẬT ĐIỆN TỪ CƠ BẢN DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN </b>

Trong nghiên cứu máy điện ta thường dùng các định luật sau: định luật cảm ứng điện từ, định luật lực điện từ và định luật mạch từ. Các định luật nầy đã được trình bày trong giáo trình vật lý, ở đây nêu lại những điểm chính áp dụng cho nghiên cứu máy điện.

<b>0.2.1. Định luật cảm ứng điện từ </b>

<i>1. Trường hợp từ thơng xun qua vịng dây biến thiên. </i>

Khi từ thông Φ = Φ(t) xuyên qua vòng dây biến thiên trong vòng dây sẽ cảm ứng sức điện động (sđđ) e(t). Sđđ đó có chiều sao cho dịng điện do nó sinh ra tạo ra từ thông chống lại sự biến thiên của từ thơng sinh ra nó (hình 0.1).

Sđđ cảm ứng trong một vòng dây được tính theo trong đó, [Wb] gọi là từ thơng móc vịng của cuộn dây <small>cảm ứng phù hợp với từ thông theo qui tắc vặn nút chai </small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

<i> 2. Trường hợp thanh dẫn chuyển động trong từ trường. </i>

Khi thanh dẫn chuyển động thẳng góc với đường sức từ trường (đây là trường hợp thường gặp nhất trong máy điện), trong thanh dẫn cảm ứng sđđ có trị số là:

<b><small> Hình 0.2 Xác định sđđ cảm ứng </small></b>

<small> theo qui tắc bàn tay phải </small>

trong đó : B: cường độ từ cảm [T].

l : chiều dài tác dụng của thanh dẫn [m].

v: tốc độ dài thanh dẫn [m/s]

Còn chiều sđđ cảm ứng xác định theo qui

<b>tắc bàn tay phải (hình 0.2). </b>

<b>0.2.2. Định luật lực điện từ. </b>

Khi thanh dẫn mang dịng điện đặt thẳng góc với đường sức từ trường, thanh dẫn sẽ chịu một lực điện từ tác dụng có trị số là:

<b><small> Hình 0.3 Xác định lực điện từ </small></b>

<small> theo qui tắc bàn tay trái </small> i

f = Bil (0.4) Trong đó, B : cường độ từ cảm, [T].

i : dòng điện chạy trong thanh dẫn, [A]. l : chiều dài thanh dẫn, [m].

f : lực điện từ đo bằng Niuton, [N]

Chiều của lực điện từ f được xác định theo qui tắc

<b>bàn tay trái (hình 0.3). </b>

<b>0.2.3. Định luật mạch từ. Tính tốn mạch từ. </b>

<i>1. Định luật mạch từ: </i>

Lõi thép của máy điện là mạch từ. Mạch từ là mạch khép kín dùng để dẫn từ thông. Định luật mạch từ là định luật dịng điện tồn phần áp dụng vào mạch từ. Nội dung của định luật dòng điện tồn phần như sau:

<b><small>Hình 0.4 Minh họa định </small></b>

<small>luật dịng điện tồn phần</small>

<b><small>Hình 0.6 Mạch từ có khe hở </small></b>

<small> khơng khí và hai cuộn dây</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

Nếu <small>H</small>là vectơ cường độ từ trường do một tập hợp dòng điện i₁, i₂, ... i_k, ..., i_n. tạo ra và nếu L là một đường cong kín bao quanh chúng thì:

là độ dời vi phân trên (L) .(hình 0.4). Dấu của i_k xác định theo qui tắc vặn nút chai: Quay cái vặn nút chai theo chiều drl

, chiều tiến của vặn nút chai trùng với chiều dòng điện i_k thì dịng điện i_k mang dấu dương, cịn ngược lại lấy dấu âm.

Định luật dịng điện tồn phần áp dụng vào mạch từ đồng nhất có một cuộn dây như hình 0.5, ta có như sau:

H[At/m]: Cường độ từ trường trong mạch từ.

B=μH [T] : Từ cảm (mật độ từ thông) trong mạch từ. μ = μ_r μ_o [H/m]: Độ từ thẩm tuyệt đối của mạch từ. μ_o = 4π.10<small>-7</small>[H/m] : độ từ thẩm của khơng khí. μ_r =μ /μ_o : Độ từ thẩm tương đối của mạch từ. L[m] : Chiều dài trung bình của mạch từ. N: Số vòng dây của cuộn dây.

I[A]: gọi là dịng điện từ hóa, tạo ra từ thông cho mạch từ. F = Ni [At/m]: gọi là sức từ động (stđ)

H.l : gọi là từ áp rơi trong mạch từ. S[m<small>2</small>] : tiết diện ngang của mạch từ.

<small>μ</small> [At/Wb] từ trở của mạch từ.

Cũng áp dụng định luật dịng điện tồn phần vào mạch từ gồm hai đoạn có hiều dài l₁ và l₂ tiết diện S₁ và S₂, hình 0.6, ta có:

H₁.l₁ - H₂.l₂ = N₁.i₁ - N₂.i₂ Trong đó:

H₁,H₂[At/m]: Cường độ từ trường tương ứng trong đoạn mạch từ 1, 2. l₁, l₂[m] : Chiều dài trung bình của đoạn mạch từ 1, 2ì.

i₁.N₁,i₂.N₂ [At]: Stđ của cuộn dây 1, 2.

<b>Một cách tổng quát, mạch từ gồm m đoạn ghép nối tiếp định luật mạch từ </b>

được viết:

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

trong đó, dịng điện i_k nào có chiều phù hợp với chiều từ thông Φ đã chọn theo qui tắc vặn nút chai sẽ mang dấu dương, còn ngược lại sẽ mang dấu âm; j - chỉ số tên đoạn mạch từ; k - chỉ số tên cuộn dây có dịng điện.

<i>2. Tính tốn mạch từ: </i>

Việc tính tốn mạch từ thường gặp hai loại bài toán sau :

<b>Bài toán thuận :</b><i> Cho biết từ thơng Φ, tìm stđ F = Ni để tạo ra từ thơng đó. </i>

<b>Cách giải </b>: Tiến hành gồm ba bước sau :(xét mạch từ gồm j đoạn nối tiếp, từ thông Φ bằng nhau ở mọi tiết diện S_j trong các đoạn mạch từ ).

<b>Bước 1: Tính từ cảm mỗi đoạn mạch từ : B</b>_j = Φ/S_j ; j là chỉ số tên đoạn mạch từ.

Suy ra cường độ từ trường H_j như sau:

Nếu đoạn mạch từ là vật liệu sắt từ, tra đường cong từ hóa B = f(H) để tìm H. Nếu đoạn mạch từ là khe hở không khí thì H₀ = B₀/μ_o .

<b>Bước 2: Suy ra stđ tổng để tạo ra từ thông Φ từ công thức (0.6): </b>

<b>Bước 3: Tùy theo bài toán mà ta tìm được dịng điện i hoặc số vịng dây W. Bài tốn ngược :</b> Biết stđ F, tìm từ thơng Φ.

Loại bài toán nầy phức tạp. Do vật liệu từ có độ từ thẩm μ phụ thuộc từ thơng Φ nên từ trở R_μ cũng phụ thuộc Φ. Vì chưa biết Φ nên cũng chưa biết R. Phương

Đây là phương trình phi tuyến, thường dùng phương pháp gần đúng để giải.

<b>0.3. CÁC VẬT LIỆU CHẾ TẠO MÁY ĐIỆN</b>

Vật liệu chế tạo máy điện gồm vậy liệu cấu trúc, vật liệu tác dụng và vật liệu cách điện. Vật liệu cấu trúc là vật liệu để chế tạo các chi tiết chịu các tác động cơ học như trục, ổ trục, thân máy, nắp. Vật liệu tác dụng là vật liệu dùng để chế tạo những bộ phận dẫn điện và từ. Còn vật liệu cách điện dùng để cách điện giữa phần dẫn điện với không dẫn điện và giữa các phần dẫn điện với nhau.

<b>0.3.1. Vật liệu dẫn điện </b>

Vật liệu dẫn điện để chế tạo máy điện tốt nhất là đồng vì chúng khơng đắt lắm và có điện trở suất nhỏ. Ngồi ra cịn dùng nhôm và các hợp kim khác như đồng

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

thau, đồng phốtpho. Dây đồng hoặc dây nhôm được chế tạo theo tiết điện tròn hoặc tiết điện chữ nhật có bọc cách điện. Với những máy có cơng suất nhỏ và trung bình, điện áp dưới 1000V thường dùng dây dẫn bọc êmay vì lớp cách điện của nó mỏng và đạt độ bền yêu cầu.

<b>0.3.2. Vật liệu dẫn từ </b>

Vật liệu dẫn từ trong máy điện là vật liệu sắt từ như thép kỹ thuật điện, gang, thép đúc, thép rèn ...

Ở các phần dẫn từ có từ thơng biến đổi với tần số 50Hz thường dùng thép lá kỹ thuật điện dày 0,35 ÷ 1mm, trong thành phần thép có từ 2 ÷ 5% silíc để tăng điện trở của thép, giảm dịng điện xốy. Thép kỹ thuật điện được chế tạo bằng phương pháp cán nóng hoặc cán nguội. Hiện nay thường dùng thép cán nguội để chế tạo các máy điện vì thép cán

nguội có độ từ thẩm cao hơn và suất tổn hao nhỏ hơn thép cán nóng. Trên hình 0.7 trình bày đường cong từ hố của một số vật liệu dẫn từ khác nhau. Cùng một dịng điện kích từ, ta thấy thép kỹ thuật điện có từ cảm lớn nhất, sau đó là thép đúc và cuối cùng là gang. thép đúc, thép rèn, hoặc thép lá.

<b>0.3.3. Vật liệu cách điện </b>

Vật liệu cách điện trong máy điện phải có cường độ cách điện cao, chịu nhiệt tốt, tản nhiệt tốt, chống ẩm và bền về cơ học. Cách điện bọc dây dẫn chịu được nhiệt độ cao thì nhiệt độ cho phép của dây dẫn càng lớn và dây dẫn chịu được dòng tải lớn.

Chất cách điện của máy điện phần lớn ở thể rắn và gồm có 4 nhóm: a) Chất hữu cơ thiên nhiên như giấy, lụa

b) Chất vô cơ như amiăng, mica, sợi thủy tinh. c) Các chất tổng hợp.

d) Các loại men và sơn cách điện.

Chất cách điện tốt nhất là mica nhưng đắt. Giấy, vải, sợi... rẻ nhưng dẫn nhiệt và cách điện kém, dễ bị ẩm. Vì vậy chúng phải được tẩm sấy để cách điện tốt hơn.

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

Căn cứ độ bền nhiệt, vật liệu cách điện được chia ra các cấp như sau:

- Cấp Y : Nhiệt độ cho phép là 90<small>0</small>C, bao gồm bông, giấy, vải, tơ lụa, sợi tổng hợp, không được tẩm sấy bằng sơn cách điện.

- Cấp A : Nhiệt độ cho phép là 105<small>0</small>C, bao gồm vải sợi xenlulô, sợi tự nhiên hoặc nhân tạo được qua tẩm sấy bằng sơn cách điện.

- Cấp E : Nhiệt độ cho phép là 120<small>0</small>C, bao gồm màng vải, sợi tổng hợp gốc hữu cơ có thể chịu được nhiệt độ tương ứng.

- Cấp B : Nhiệt độ cho phép là 130⁰C, bao gồm các vật liệu gốc mica, sợi thủy tinh hoặc amiăng được liện kết bằng sơn hoặc nhựa gốc hữu cơ có thể chịu được nhiệt độ tương ứng.

- Cấp F : Nhiệt độ cho phép là 155<small>0</small>C, giống như loại B nhưng được tẩm sấy và kết dính bằng sơn hoặc nhựa tổng hợp có thể chịu được nhiệt độ tương ứng.

- Cấp H : Nhiệt độ cho phép là 180<small>0</small>C, giống như cấp B nhưng dùng sơn tẩm sấy hoặc chất kết dính gốc silic hữu cơ hoặc các chất tổng hợp có khả năng chịu được nhiệt độ tương ứng.

- Cấp C : Nhiệt độ cho phép là >180<small>0</small>C, bao gồm các vật liệu gốc mica, thủy tinh và các hợp chất của chúng dùng trực tiếp khơng có chất liên kết. Các chất vơ cơ có phụ gia liên kết bằng hữu cơ và các chất tổng hợp có khả năng chịu được nhiệt độ tương ứng.

Ngồi ra cịn có chất cách điện ở thể khí (khơng khí) và thể lỏng (dầu biến áp). Khi máy điện làm việc, do tác động của nhiệt độ, chấn động và các tác động lý hóa khác cách điện sẽ bị lão hóa nghĩa là mất dần các tính bền về điện và cơ. Thực nghiệm cho biết, khi nhiệt độ tăng quá nhiệt độ làm việc cho phép 8-10<small>0</small>C thì tuổi tho của vật liệu cách điện giảm đi một nửa.

<b>0.4. PHÁT NÓNG VÀ LÀM MÁT MÁY ĐIỆN </b>

Trong q trình biến đổi năng lượng ln có sự tổn hao. Tổn hao trong máy điện gồm tổn hao sắt từ (do hiện tượng từ trễ và dịng xốy) trong thép, tổn hao đồng trong dây quấn và tổn hao do ma sát (ở máy điện quay). Tất cả các tổn hao năng lượng đều biến thành nhiệt làm cho máy điện nóng lên.

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 khơng khí xung quanh hoặc của mơi 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 tốn và lựa chọn để cho độ tăng nhiệt của vật liệu cách điện trong máy không vượt quá độ tăng nhiệt

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

cho phép, đảm bảo cho vật liệu cách điện làm việc lâu dài, tuổi thọ của máy khoảng 20 năm.

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

<b>0.5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MÁY ĐIỆN </b>

Việc nghiên cứu máy điện gồm các bước sau:

1. Mô tả các hiện tượng vật lý xảy ra trong máy điện.

2. Dựa vào các định luật vật lý, viết phương trình tốn học mơ tả sự làm việc của máy điện. Đó là mơ hình tốn của máy điện.

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

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

] R R ^

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

<b>Đại Học Đà Nẵng - Trường Đại học Bách Khoa Khoa Điện - Nhóm Chun mơn Điện Cơng Nghiệp </b>

<b>Giáo trình MÁY ĐIỆN 1 </b>

<b>Biên soạn: Bùi Tấn Lợi </b>

<b>Chương 1 </b>

<b>NGUYÊN LÝ VÀ CẤU TẠO M.B.A </b>

<b>1.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ M.B.A </b>

<b>1.1.1. Vai trò và công dụng. </b>

Để dẫn điện từ nhà máy phát điện đến hộ tiêu thụ cần phải có đường dây tải điện (hình 1.1). Nếu khoảng cách từ nơi sản xuất điện đến hộ tiêu thụ lớn, một vấn đề đặt ra là việc truyền tải điện năng đi xa làm sao cho kinh tế nhất.

Trong đó: P là công suất truyền tải trên đường dây; U là điện áp truyền tải của lưới điện; R_d là điện trở đường dây tải điện và cosϕ là hệ số cơng suất của lưới điện, cịn ϕ là góc lệch pha giữa dịng điện I và điện áp U.

Từ các công thức trên cho ta thấy, cùng một công suất truyền tải trên đường dây, nếu điện áp truyền tải càng cao thì dịng điện chạy trên đường dây sẽ càng bé, do đó trọng lượng và chi phí dây dẫn sẽ giảm xuống, tiết kiệm được kim loại màu, đồng thời tổn hao năng lượng trên đường dây sẽ giảm xuống. Vì thế, muốn truyền

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

tải công suất lớn đi xa ít tổn hao và tiết kiệm kim loại màu người ta phải dùng điện áp cao, thường là 35, 110, 220, 500kV. Trên thực tế các máy phát điện chỉ phát ra điện áp từ 3 ÷ 21kV, do đó phải có thiết bị tăng điện áp ở đầu đường dây. Mặt khác các hộ tiêu thụ thường yêu cầu điện áp thấp, từ 0.4 ÷ 6kV, vì vậy cuối đường dây phải có thiết bị giảm điện áp xuống. Thiết bị dùng để tăng điện áp ở đầu đường dây và giảm điện áp cuối đường dây gọi là máy biến áp (MBA).

<b>1.1.2. Định nghĩa. </b>

Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp nầy thành một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp khác, với tần số không thay đổi.

<b>1.2. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP LÝ TƯỞNG </b>

Máy biến áp lý tưởng có các tính chất như sau : 1. Cuộn dây không có điện trở.

2. Từ thơng chạy trong lõi thép móc vịng với hai dây quấn, khơng có từ thơng tản và khơng có tổn hao trong lõi thép.

3. Độ từ thẩm của thép rất lớn (μ = ∞), như vậy dịng từ hố cần phải có để sinh ra từ thông trong lõi thép là rất nhỏ không đáng kể, do vậy stđ cần để sinh ra từ thông trong lõi thép cho bằng không.

Hình 1.2 vẽ sơ đồ nguyên lý của MBA một pha hai dây quấn. Dây quấn 1 có N₁ vòng dây được nối với nguồn điện áp xoay chiều u₁, gọi là dây quấn sơ cấp. Ký

<b>hiệu các đại lượng phía dây quấn sơ cấp đều có con số 1 kèm theo như u</b>₁, i₁, e₁, .. Dây quấn 2 có N₂ vịng dây cung cấp điện cho phụ tải Z_t, gọi là dây quấn thứ cấp.

<b>Ký hiệu các đại lượng phía dây quấn thứ cấp đều có con số 2 kèm theo như u</b>₂, i₂, e₂, ..

Đặt điện áp xoay chiều u₁ vào dây quấn sơ, trong dây quấn sơ sẽ có dịng i₁. Trong lõi thép sẽ có từ thơng Φ móc vịng với cả hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp, cảm ứng ra các sđđ e₁ và e₂. Khi MBA có tải, trong dây quấn thứ sẽ có dịng điện i₂ đưa ra tải với điện áp là u₂. Từ thơng Φ móc vịng với cả hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp gọi là từ thơng chính.

Giả thử điện áp u₁ sin nên từ thông Φ cũng biến thiên sin, ta có:

Theo định luật cảm ứng điện từ, các sđđ cảm ứng e₁, e₂ sinh ra trong dây quấn sơ cấp và thứ cấp MBA là:

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

<b><small>Hình 1-2. Sơ đồ nguyên lý của </small></b>

<small>MBA một pha hai dây quấn</small>

Nếu giả thiết MBA đã cho là MBA lý tưởng, nghĩa là bỏ qua sụt áp gây ra do điện trở và từ thông tản của dây

Nếu N₂> N₁ thì U₂> U₁ và I₂< I₁ : MBA tăng áp. Nếu N₂< N₁ thì U₂< U₁ và I₂> I₁ : MBA giảm áp

<b>1.3. CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP </b>

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

<b><small>1.3.1. Lõi thép MBA. </small></b>

<b><small>Hình 1.3 Mạch từ MBA kiểu lõi: a) một pha. b) ba pha </small></b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

Lõi thép MBA dùng để dẫn từ thông, được chế tạo bằng các vật liệu dẫn từ tốt, thường là thép kỹ thuật điện có bề dày từ 0,35 ÷ 1 mm, mặt ngồi các lá thép có sơn cách điện rồi ghép lại với nhau thành lõi thép. Lõi thép gồm hai phần: <b>Trụ và Gơng</b> (hình 1.3). Trụ T là phần để đặt dây quấn cịn gơng G là phần nối liền giữa các trụ để tạo thành mạch từ kín.

<b><small>1.3.2. Dây quấn MBA. </small></b>

Nhiệm vụ của dây quấn MBA là nhận năng lượng vào và truyền năng lượng ra. Dây quấn MBA thường làm bằng dây dẫn đồng hoặc nhơm, tiết diện trịn hay chữ nhật, bên ngồi dây dẫn có bọc cách điện. Dây quấn gồm nhiều vòng dây và lồng vào trụ thép. Giữa các vòng dây, giữa các dây quấn và giữa dây quấn và lõi thép đều có cách điện. Máy biến áp thường có hai hoặc nhiều dây quấn. Khi các dây quấn đặt trên cùng một trụ thì dây quấn điện áp thấp đặt sát trụ thép cịn dây quấn điện áp cao đặt bên ngồi. Làm như vậy sẽ giảm được vật liệu cách điện.

Dây quấn MBA có hai loại chính như :

<b><small>Hình 1-4. Dây quấn Máy biến áp </small></b>

<small>(a)û (b)û </small>

1. <i>Dây quấn đồng tâm : ở dây quấn đồng tâm tiết diện ngang là những vòng </i>

tròn đồng tâm. Những kiểu dây quấn đồng tâm chính gồm : Dây quấn hình trụ (hình 1.4a,b), dùng cho cả dây quấn hạ áp và cao áp; Dây quấn hình xoắnû (hình 1.4c), dùng cho dây quấn hạ áp có nhiều sợi chập; dây quấn hình xốy ốc liên tụcû (hình 1.4d), dùng cho dây quấn cao áp, tiết diện dây dẫn chữ nhật .

2. <i>Dây quấn xem kẻ : Các bámh dây cao áp và hạ áp lần lượt xen kẻ nhau dọc </i>

theo trụ thép.

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

<b><small> Hình 1-5 Máy biến áp dầu ba pha 16000kVA/110kV </small></b>

<small>1. móc vận chuyển; 2. Sứ cao áp 110kV; 4. Sứ trung áp 38.5kV; 5. Sứ hạ áp 10.5kV; 7. Ơúng phịng nổ; 8. Bình giãn dầu; 10. Thước chỉ dầu; 12. Xà ép gơng; 13. Bình hút ẩm; 16. Dây quấn cao áp; 18. Bộ lọc đối lưu; 22. Võ thùng; 23.Bộ tản nhiệt; 24. Cáp cấp điện cho động cơ; 25. Động cơ qụat gió làm mát. 26. Bộ truyền động chuyển mạch. </small>

<b><small>1.3.3. Vỏ MBA. </small></b>

Vỏ MBA làm bằng thép gồm hai bộ phận : thùng và nắp thùng.

1. <i>Thùng MBA: Trong thùng MBA (hình 1-5) đặt lõi thép, dây quấn và dầu </i>

biến áp. Dầu biến áp làm nhiệm vụ tăng cường cách điện và tản nhiệt. Lúc MBA làm việc, một phần năng lượng tiêu hao thoát ra dưới dạng nhiệt làm dây quấn, lõi thép và các bộ phận khác nóng lên. Nhờ sự đối lưu trong dầu và truyền nhiệt từ các bộ phận bên trong MBA sang dầu và từ dầu qua vách thùng ra môi trường xung quanh.

2. <i>Nắp thùng MBA : Dùng để đậy trên thùng và trên đó có các bộ phận quan </i>

trọng như:

+ Sứ ra của dây quấn cao áp và dây quấn hạ áp. Làm nhiệm vụ cách điện. + Bình dãn dầu (bình dầu phụ) có ống thủy tinh để xem mức dầu.

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

+ Ống bảo hiểm : làm bằng thép, thường làm thành hình trụ nghiêng, một đầu nối với thùng, một đầu bịt bằng một đĩa thuỷ tinh. Nếu vì lý do nào đó, áp suất trong thùng tăng lên đột ngột, đĩa thuỷ tinh sẽ vỡ, dầu theo đó thốt ra ngồi để MBA khơng bị hỏng.

+ Lỗ nhỏ đặt nhiệt kế.

+ Rơle hơi dùng để bảo vệ MBA.

+ Bộ truyền động cầu dao đổi nối các đầu điều chỉnh điện áp của dây quấn cao áp.

Để hiểu rõ hơn về MBA ta xem hiình dáng bên ngồi MBA ba pha hai dây quấn công suất 250kVA, điện áp 22/0.4kV của nhà máy chế tạo Thiết Bị Điện (hình 1.6).

<b> <small>Hình 1.6</small></b><small>MBA dầu ba pha, hai dây quấn</small>

<b>1.4. CÁC ĐẠI LƯƠüNG ĐỊNH MỨC CỦA MBA </b>

Các đại lượng định mức của MBA qui định điều kiện kỹ thuật của máy. Các đại lượng nầy do nhà máy chế tạo qui định và ghi trên nhãn của MBA.

1. Dung lượng (công suất định mức) S_đm (VA hay kVA) là cơng suất tồn phần hay biểu kiến đưa ra ở dây quấn thứ cấp của MBA.

2. Điện áp dây sơ cấp định mức U_1đm (V, kV) là điện áp của dây quấn sơ cấp.

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

3. Điện áp dây thứ cấp định mức U_2đm (V hay kV) là điện áp của dây quấn thứ cấp khi MBA không tải và điện áp đặt vào dây quấn sơ là định mức U₁ = U_1dm. 4. Dòng điện dây sơ cấp định mức I_1đm (A hay kA) và thứ cấp định mức I_2đm là những dòng điện dây của dây quấn sơ cấp và thứ cấp ứng với công suất và điện áp

5. Tần số định mức f_đm(Hz). Các MBA điện lực có tần số công nghiệp 50Hz. Ngồi ra trên nhãn MBA cịn ghi các số liệu khác như: tần số, số pha m, sơ đồ và tổ nối dây...

<b>1.5. CÁC LOẠI MBA CHÍNH. </b>

1. MBA điện lực để truyền tải và phân phối công suất trong hệ thống điện lực. 2. MBA chuyên dùng sử dụng ở lò luyện kim, các thiết bị chỉnh lưu, MBA hàn ... 3. MBA tự ngẫu dùng để liên lạc trong hệ thống điện, mở máy động cơ không đồng bộ công suất lớn.

4. MBA đo lường dùng để giảm các điện áp và dòng điện lớn đưa vào các dụng cụ đo tiêu chuẩn.

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

MBA có rất nhiều loại song thực chất hiện tượng xãy ra trong chúng đều giống nhau. Để thuận tiện cho việc nghiên cứu, sau đây ta xét MBA điện lực một pha hai dây quấn.

] R R ^

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

<b>Đại Học Đà Nẵng - Trường Đại học Bách Khoa Khoa Điện - Nhóm Chun mơn Điện Cơng Nghiệp </b>

<b>Giáo trình MÁY ĐIỆN 1 </b>

<b>Biên soạn: Bùi Tấn Lợi </b>

<b>Chương 2 </b>

<b>TỔ NÔÏI DÂY VÀ MẠCH TỪ M.B.A </b>

<b>2.1. KHÁI NIỆM CHUNG </b>

Để MBA ba pha có thể làm việc được, các dây quấn sơ cấp và thứ cấp phải nối với nhau theo một qui luật nhất định. Ngoài ra, việc phối hợp kiểu nối dây quấn sơ cấp với kiểu nối dây quấn thứ cấp cũng hình thành các tổ nối dây quấn khác nhau. Hơn nữa, khi thiết kế MBA, việc quyết định tổ nối dây quấn cũng phải thích ứng với kiếu kết cấu của mạch từ để tránh những hiện tượng không tốt như sđđ không sin, tổn hao phụ tăng ...

Trong chương này ta sẽ lần lượt xét các loại tổ nối dây và mạch từ, đồng thời xét các hiện tượng xảy ra khi từ hố lõi thép và nêu lên cách tính tốn mạch từ của MBA.

<b>2.2. TỔ NỐI DÂY MÁY BIẾN ÁP </b>

Để nghiên cứu tổ nối dây MBA, trước hết ta hãy xét ký hiệu các đầu dây và cách đấu dây quấn pha với nhau.

<b>2.2.1. Cách ký hiệu các đầu dây </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

<b>Một cuộn dây có hai đầu tận cùng: một đầu gọi là đầu đầu; còn đầu kia gọi là đầu cuối. Đối với dây quấn mba một pha : đầu đầu hoặc đầu cuối chọn tùy ý. </b>

Đối với dây quấn mba ba pha : các đầu đầu và đầu cuối chọn một cách thống nhất theo một chiều nhất định (hình 2.1a), nếu khơng điện áp ra của ba pha sẽ khơng đối xứng (hình 2.1b).

Để đơn giản và thuận tiện cho việc nghiên cứu, người ta thường đánh dấu các đầu tận cùng lên sơ đồ dây quấn của mba với qui ước sau dây :

Đánh dấu các đầu dây tận cùng:

<b>2.2.2. Các kiểu đấu dây quấn </b>

1. <i>Đấu hình sao (Y) : Đấu ba điểm cuối X,Y,Z lại với nhau. </i>

2. <i>Đấu hình tam giác (</i>Δ<i>) : </i>

Đấu điểm đầu của pha này với điểm cuối của pha kia (hình 2.3)

3. <i>Đấu zíc-zắc (Z) : Mỗi pha dây quấn mba gồm hai nửa cuộn dây trên hai trụ </i>

khác nhau mắc nối tiếp và đấu ngược chiều nhau (hình 2.4). Kiểu dây quấn này ít dùng vì tốn đồng nhiều hơn, loại này chủ yếu gặp trong mba dùng cho thiết chỉnh

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

<b>2.2.3. Tổ nối dây của mba. </b>

Tổ nối dây mba được hình thành do sự phối hợp kiểu dây quấn sơ cấp so với

<b>kiểu dây quấn thứ cấp. Nó biểu thị góc lệch pha giữa sđđ dây của dây quấn sơ cấp và sđđ dây của dây quấn thứ cấp và góc lệch pha này phụ thuộc vào các yếu </b>

tố sau :

+ Chiều quấn dây,

+ Cách ký hiệu các dầu dây ra,

+ Kiểu dấu dây quấn sơ cấp và thứ cấp

Xét mba một pha có hai dây quấn (hình 2-5) : sơ cấp : AX ; thứ cấp : ax. Các trường hợp xảy ra như sau :

a) Hai dây quấn cùng chiều và kí hiệu tương ứng (hình 2-5a). b) Hai dây quấn ngược chiều (hình 2-5b).

c) Đổi chiều kí hiệu một trong hai dây quấn (hình 2-5c).

Tổ nối dây của mba một pha : kể từ vector sđđ sơ cấp đến vector sđđ thứ cấp theo chiều kim đồng hồ :

<b>Tổ nối dây của mba ba pha :</b> Ở mba ba pha, do nối Y & Δ với những thứ tự khác nhau mà góc lệch pha giữa sđđ dây sơ cấp và sđđ dây thứ cấp là 30^o, 60^o, 90<small>o</small>, .., 360<small>o</small>.

Thực tế không dùng độ để chỉ góc lệch pha mà dùng kim đồng hồ (hình 2.6) để biểu thị và gọi tên tổ nối dây mba, cách biểu thị như sau:

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

+ Kim dài cố định ở con số 12, chỉ sđđ sơ cấp.

+ Mba ba pha nối Y/Y:

Ví dụ một mba ba pha có dây quấn sơ và dây quấn thứ nối hình sao, cùng chiều quấn dây và cùng ký hiệu các đầu dây (hình 2.7) thì vector sđđ pha giữa hai dây quấn hồn tồn trùng nhau và góc lệch pha giữa hai điện áp dây sẽ bằng 360<small>o</small> hay 0^o. Ta nói mba thuộc tổ nối dây 12 và ký hiệu là Y/Y-12 hay Y/Y-0. Để nguyên dây quấn sơ, dịch ký hiệu dây quấn thứ a→b, b→c, c→a ta có tổ đấu dây Y/Y-4, dịch tiếp một lần nữa ta có tổ đấu dây Y/Y-8. Nếu đổi chiều dây quấn thứ ta có tổ đấu dây Y/Y-6,10,2. Như vậy mba khi nối Y/Y, ta có tổ nối dây là số chẵn.

+ Mba ba pha nối Y/Δ :

Ví dụ cũng mba ba pha có dây quấn sơ nối hình sao và dây quấn thứ nối hình tam giác, cùng chiều quấn dây và cùng ký hiệu các đầu dây (hình 2. 8) thì vector sđđ pha giữa hai dây quấn hoàn toàn trùng nhau và góc lệch pha giữa hai điện áp dây sẽ bằng 330<small>o</small>. Ta nói mba thuộc tổ nối dây 11 và ký hiệu là Y/Δ-11. Để nguyên dây quấn sơ, dịch kí hiệu dây quấn thứ a→ b, b→ c, c→ a thì ta có tổ đấu dây Y/Δ-3, dịch tiếp một lần nữa ta có tổ đấu dây Y/Δ-7. Nếu đổi chiều dây quấn thứ ta có tổ đấu dây Y/Δ-5,9,1. Như vậy mba khi nối Y/Δ, ta có tổ nối dây là số lẽ.

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

<small>A B C </small>

<b>2.3. MẠCH TỪ MÁY BIẾN ÁP </b>

<b>2.3.1. Các dạng mạch từ máy biến áp </b>

<i>1. Máy biến áp một pha </i>

+ Mạch từ kiểu lõi (hình 1.3a) + Mạch từ kiểu bọc

<i>2. Máy biến áp ba pha </i>

+ Hệ thống mạch từ riêng : Từ thơng ba pha độc lập (hình 2.9). Ta có tổ mba ba pha.

+ Hệ thống mạch từ chung (hình 1.3b) : Từ thơng ba pha liên quan nhau. Ta có mba ba pha ba trụ.

Nếu :

<small>U&</small> _A <small>+U&</small> _B<small>+U&</small>_C <small>=0→Φ&</small> _A <small>+Φ&</small> _B <small>+Φ&</small>_C <small>=</small>₀

Như vậy các trụ ghép chung có từ thơng tổng

∑

Φ 0& = _{, nên ta bỏ trụ ghép}

chung. Sau khi bỏ trụ ghép chung, ta thấy lõi thép không gian nên chế tạo khó khăn. Vì vậy phải rút ngắn trụ giữa để ba trụ mba cùng nằm trong mặt phẳng, lúc

<b><small>Hình 2.10 Ghép ba trụ mba một pha </small></b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

này ta thấy kết cấu lõi thép mba không đối xứng, trụ giữa ngắn hơn hai trụ hai bên nên dịng từ hóa của ba pha cũng không đối xứng :

I_oA = I_oC ≈ (1,2 ÷ 1,45)I_oB

<b>2.3.2. Những hiện tượng xuất hiện khi từ hóa lõi thép MBA </b>

Xét trường hợp :

+ MBA không tải (hình 2.11). + Sơ cấp đặt vào điện áp u hình sin.

<b><small> Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý </small></b>

<small> của mba một pha</small>

• <b>Khơng xét tổn hao trong lõi thép : </b>

Khi không xét đến tổn hao trong lõi thép thì dịng i_o ≈ i_ox, nghĩa là dịng từ hóa gần bằng dịng điện phản kháng. Ta có quan hệ Φ = f(i_o) cũng chính là quan hệ B = f(H). Từ quan hệ Φ = f(i_o) và Φ = f(t) ta vẽ được i_o = f(t).

Từ hình 2.12, ta thấy :

+ Từ thơng Φ(t) có dạng hình sin

+ Dịng điện i_o(t) có dạng nhọn dầu (k<small>0</small>sin) + Φ(t) và i_o(t) trùng pha nhau

Dòng i_o(t) khơng sin, ta phân tích thành tổng sóng hình sin :

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

+ i_o1 là sóng cơ bản (sóng bậc 1)

+ i_o3,5,7.. là các sóng bậc cao. Sóng bậc 5 trở lên có biên độ nhỏ, ta bỏ qua. Như vậy chính dịng điện bậc ba i_o3 làm dịng i_o có dạng nhọn đầu. Thực chất dịng i_o có dạng nhọn đầu là do hiện tượng bão hịa trong lõi thép.

• <b>Có kể đến tổn hao trong lõi thép : </b>

Khi có xét đến tổn hao trong lõi thép, quan hệ Φ = f(i_o) cũng chính là quan hệ đường cong từ trễ B = f(H). Từ quan hệ Φ = f(i_o) và Φ = f(t) ta dùng phương pháp vẽ để tìm được quan hệ i_o = f(t) như trên hình 2.13.

Từ hình 2.13, ta thấy :

+ Từ thơng Φ(t) có dạng hình sin

+ Dịng điện i_o(t) có dạng nhọn dầu (k<small>0</small>sin) + i_o(t) vượt trước Φ(t) một góc α.

Góc α nhỏ hay lớn phụ thuộc vào mức độ trễ của B = f(H), nghĩa là phụ thuộc vào đường cong từ trễ vì thế góc α gọi là góc tổn hao từ trễ.

Hình 2.14 biểu diễn vectơ dòng điện và từ thơng khi có kể đến tổn hao trong lõi thép. Vì dịng điện i

I& Φ&_m

<small>o</small> khơng sin nên ta chỉ vẽ gần đúng với thành phần bậc 1. Ta thấy dịng điện khơng tải I_o gồm hai thành phần :

+ I_ox : thành phần dịng điện phản kháng để từ hóa lõi thép. + I_or : thành phần dòng điện tác dụng, vng góc với Φ, nên :

Thực tế I_or < 10%I_o , nghĩa là góc α thường rất bé, nên dịng điện I_or khơng ảnh hưởng mấy đến dịng điện từ hố và ta coi như I_ox ≈ I_o .

<b><small>Hình 2.14 Đồ thị vectơ dịng I</small></b><small>o</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

Từ các phương trình trên ta thấy, ba pha trùng nhau về thời gian, nghĩa là ở mọi thời điểm chiều dòng điện bậc ba trong các pha hoặc hướng từ đầu đến cuối hoặc hướng từ cuối đến đầu, tức là luôn luôn tồn tại.

α) Trường hợp mba nối Y/Y

Sơ cấp đấu Y nên dịng i_o3 khơng tồn tại, dịng i_o sẽ có dạng sin và từ thơng Φ do nó sinh ra sẽ có dạng vạt đầu. Ta phân tích từ thơng Φ trong lõi thép thành sóng cơ bản và sóng bậc cao :

Φ=Φ₁+Φ₃ +Φ₅ +Φ₇ +..

Các sóng Φ_5,7.. nhỏ, ta bỏ qua, chỉ xét Φ₁ và Φ₃.

<i>Trường hợp tổ mba ba pha : </i>

(Mba ba pha5 trụ)

Φ₁ _{Loại này mạch từ riêng, nên Φ}₃ tồn tại và khép mạch qua lõi thép, do vậy Φ₃ tương đối lớn, sđđ e₃ do nó sinh ra cũng lớn theo (E_3f = (45-60)% E_1f) làm cho sđđ pha tăng lên. Cịn sđđ U_d khơng có thành

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

<i>Mba ba pha ba trụ : </i>

<b><small>Hình 2.16 Từ thông bậc ba trong lõi thép mba nối Y/Y </small></b>

Hệ thống mạch từ chung, nên Φ₃ cùng chiều (hình 2.16). Ở mọi thời điểm từ thơng Φ₃ không khép mạch qua mạch từ trụ mà bị đẩy ra ngồi, và khép mạch qua mơi trường có từ trở lớn, nên Φ₃ không lớn lắm, như vậy xem từ thông trong mạch từ là sin, và sđđ cảm ứng ra E_f sẽ sin.

Chú ý : Φ₃ khép mạch qua gông và vách thùng làm tăng tổn hao nên hiệu suất của máy giảm.

β) Trường hợp mba nối Δ /Y

Dây quấn sơ cấp nối Δ nên dịng i_o3 sẽ khép kín trong tam giác, vì vậy dịng i_o sẽ có dạng nhọn đầu. Giống mba một pha.

γ) Trường hợp mba nối Y/Δ

Dây quấn sơ cấp đấu Y nên dòng i_o3 khơng tồn tại, dịng i_o sẽ có dạng sin và từ thơng Φ do nó sinh ra sẽ có dạng vạt đầu. Kết luận giống trường hợp α. Thành phần từ thông bậc ba Φ cảm ứng trong dây quấn thứ cấp sđđ e₃ ₂₃, do dây quấn thứ

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

nối Δ nên sinh ra dòng i₂₃ chạy trong dây quấn, dòng điện nầy sinh ra trong lõi thép từ thơng Φ₂₃ và ta có từ thơng tổng bậc ba , nên ảnh hưởng

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

<b>Đại Học Đà Nẵng - Trường Đại học Bách Khoa Khoa Điện - Nhóm Chun mơn Điện Cơng Nghiệp </b>

<b>Giáo trình MÁY ĐIỆN 1 </b>

<b>Biên soạn: Bùi Tấn Lợi </b>

<b>Chương 3 </b>

<b>QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MBA </b>

Trong chương này chúng ta sẽ nghiên cứu sự làm việc của mba lúc tải đối xứng và mọi vấn đề có liên quan đều được xét trên một pha của mba ba pha hay trên mba một pha.

<b>3.1. CÁC PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG CỦA MÁY BIẾN ÁP </b>

Để thấy rõ quá trình năng lượng trong mba, ta hãy xét các quan hệ điện từ trong trường hợp này.

<b>3.1.1. Phương trình cân bằng điện áp (sđđ) </b>

Trên hình 3.1 trình bày mba một pha hai dây quấn, trong đó dây quấn sơ cấp nối với nguồn, có số vịng N₁, dây quấn thứ cấp nối với tải có tổng trở Z_t, có số vịng N₂. Khi nối điện áp u₁ vào dây quấn sơ cấp, trong dây quấn sơ cấp có dịng điện i₁ chạy qua. Nếu phía thứ cấp có tải thì trong dây quấn thứ cấp sẽ có dịng điện i₂ chạy qua. Các dòng điện i₁ và i₂ sẽ tạo nên stđ sơ cấp i₁N₁ và stđ thứ cấp i₂N₂. Phần lớn từ thông do hai stđ i₁N₁ và i₂N₂ sinh ra được khép mạch qua lõi thép móc vịng với cả dây quấn sơ cấp và thứ cấp được gọi là từ thơng chính Φ. Từ thơng chính Φ gây nên trong các dây quấn sơ cấp và thứ cấp những sđđ e₁ và e₂ như đã biết ở chương 2 như sau :

<b><small> Hình 3.1 Từ thơng mba một pha hai dây quấn</small></b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">

Ngồi từ thơng chính Φ chạy trong lõi thép, trong mba các stđ i₁N₁ và i₂N₂ cịn sinh ra từ thơng tản Φ_t1 và Φ_t2. Từ thông tản không chạy trong lõi thép mà móc vịng với khơng gian khơng phải vật liệu sắt từ như dầu biến áp, vật liệu cách điện ... Vật liệu nầy có độ từ thẩm bé, do đó từ thơng tản nhỏ hơn rất nhiều so với từ thơng chính và từ thơng tản móc vịng với dây quấn sinh ra nó. Từ thơng tản Φ_t1 do dịng điện sơ cấp i₁ gây ra và từ thơng tản Φ_t2 do dịng điện thứ cấp i₂ gây ra. Các từ thông tản Φ_t1 và Φ_t2 biến thiên theo thời gian nên cũng cảm ứng trong dây quấn sơ cấp sđđ tản e_t1 và thứ cấp sđđ tản e_t2, mà trị số tức thời là:

Trong đó: là từ thơng tản móc vịng với dây quấn sơ cấp; là từ thơng tản móc vịng với dây quấn thứ cấp.

Do từ thơng tản móc vịng với không gian không phải vật liệu sắt từ nên tỉ lệ với dịng điện sinh ra nó :

Trong đó: L_t1 và L_t2 là điện cảm tản của dây quấn sơ cấp và thứ cấp. Thế (3.3) vào (3.2a,b), ta có:

trong đó: x₁ = ωL_t1 là điện kháng tản của dây quấn sơ cấp, x₂ = ωL_t2 là điện kháng tản của dây quấn thứ cấp.

</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">

<b><small>1. Phương trình cân bằng điện áp dây quấn sơ cấp : </small></b>

Xét mạch điện sơ cấp gồm nguồn điện áp u₁, sức điện động e₁, sđđ tản của dây quấn sơ cấp e_t1, điện trở dây quấn sơ cấp r₁. Áp dụng định luật Kirchhoff 2 ta có phương trình điện áp sơ cấp viết dưới dạng trị số tức thời là:

Thay (3.5a) vào (3.6b), ta có :

U& =−& + + & =−& + & (3.7) trong đó: Z₁ = r₁ + jx₁ là tổng trở phức của dây quấn sơ cấp.

Còn Z &₁I₁ là điện áp rơi trên dây quấn sơ cấp.

<b><small>2. Phương trình cân bằng điện áp dây quấn thứ cấp </small></b>

Mạch điện thứ cấp gồm sức điện động e₂, sức điện động tản dây quấn thứ cấp e_t2, điện trở dây quấn thứ cấp r₂, điện áp ở hai đầu của dây quấn thứ cấp là u₂. Áp dụng định luật Kirchhoff 2 ta có phương trình điện áp thứ cấp viết dưới dạng trị số

Thay (3.5b) vào (3.8b), ta có :

U& = & − + & = & − & (3.10) trong đó Z₂ = r₂ + jx₂ là tổng trở phức của dây quấn thứ cấp.

Còn Z &₂I₂ là điện áp rơi trên dây quấn thứ cấp.

Mặt khác ta có: U& =₂ Z_tI&₂ (3.11)

<b>3.1.2. Phương trình cân bằng dịng điện </b>

Định luật Ohm từ (0.6), áp dụng vào mạch từ (hình 3.1) cho ta:

Trong biểu thức (3.7), thường Z₁I& <<₁ E&₁ nên E₁ ≈ U₁. Vậy theo công thức (2.6) từ thông cực đại trong lõi thép:

Ở đây U₁ = U_1đm, tức là U₁ không đổi, theo (3.13) từ thơng Φ_m cũng khơng đổi. Do đó vế phải của (3.12) khơng phụ thuộc dịng i₁ và i₂, nghĩa là không phụ thuộc

</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31">

chế độ làm việc của mba. Đặc biệt trong chế độ khơng tải dịng i₂ = 0 và i₁ = i₀ là dịng điện khơng tải sơ cấp. Ta suy ra:

Hay: N₁I&₁+N₂I&₂ =N₁&I₀ (3.15) Chia hai vế cho N₁ và chuyển vế, ta có:

Từ (3.16) ta thấy rằng: dòng điện sơ cấp gồm hai thành phần, thành phần dịng điện khơng đổi dùng để tạo ra từ thơng chính Φ trong lõi thép mba, thành phần dòng điện dùng để bù lại dòng điện thứ cấp , tức là cung cấp cho tải. Khi tải tăng thì dịng điện tăng, nên tăng và dịng điện cũng tăng lên.

Tóm lại, mơ hình tốn của mba như sau:

<b>3.2. MẠCH ĐIỆN THAY THẾ CỦA MÁY BIẾN ÁP </b>

Để đặc trưng và tính tốn các q trình năng lượng xảy ra trong mba, người ta thay mạch điện và mạch từ của mba bằng một mạch điện tương đương gồm các điện trở và điện kháng đặc trưng cho mba gọi là mạch điện thay thế mba.

Trên hình 3.2a trình bày MBA mà tổn hao trong dây quấn và từ thông tản được đặc trưng bằng điện trở R và điện cảm L mắc nối tiếp với dây quấn sơ và thứ cấp. Để có thể nối trực tiếp mạch sơ cấp và thứ cấp với nhau thành một mạch điện,

</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32">

các dây quấn sơ cấp và thứ cấp phải có cùng một cấp điện áp. Trên thực tế, điện áp

<b>của các dây quấn đó lại khác nhau. Vì vậy phải qui đổi một trong hai dây quấn về </b>

dây quấn kia để cho chúng có cùng một cấp điện áp. Muốn vậy hai dây quấn phải có số vịng dây như nhau. Thường người ta qui đổi dây quấn thứ cấp về dây quấn sơ cấp, nghĩa là coi dây quấn thứ cấp có số vòng dây bằng số vòng dây của dây quấn sơ cấp. Việc qui đổi chỉ để thuận tiện cho việc nghiên cứu và tính tốn mba, vì vậy yêu cầu của việc qui đổi là quá trình vật lý và năng lượng xảy ra trong máy mba trước và sau khi qui đổi là không đổi.

<b>3.2.1. Qui đổi các đại lượng thứ cấp về sơ cấp. </b>

U& = & − & = &

Trong đó: , , , , tương ứng là sđđ, điện áp, dòng điện, tổng trở dây quấn và tổng trở tải thứ cấp qui đổi về sơ cấp.

<b>3.2.2. Mạch điện thay thế chính xác của MBA. </b>

Dựa vào hệ phương trình qui đổi (3.25a,b,c) ta suy ra một mạch điện tương ứng gọi là mạch điện thay thế của MBA như trình bày trên hình 3.3.

Xét phương trình (3.23a), vế phải phương trình có Z₁I& là điện áp rơi trên tổng trở ₁ dây quấn sơ cấp Z₁ và −E&₁ là điện áp rơi trên tổng trở Z_m, đặc trưng cho từ thơng chính và tổn hao sắt từ. Từ thơng chính do dịng điện khơng tải sinh ra, do đó ta có thể viết :

</div><span class="text_page_counter">Trang 33</span><div class="page_container" data-page="33">

trong đó: Z_m = r_m + jx_m là tổng trở từ hóa đặc trưng cho mạch từ. • r_m là điện trở từ hóa đặc trưng cho tổn hao sắt từ.

• x_m là điện kháng từ hóa đặc trưng cho từ thơng chính Φ.

<b><small>Hình 3-3. Mạch điện thay thế của MBA một pha hai dây quấn</small></b>

<b>3.2.3. Mạch điện thay thế gần đúng của MBA. </b>

Trên thực tế thường tổng trở nhánh từ hóa rất lớn (Z_m >> Z₁ và Z’₂), do đó trong nhiều trường hợp có thể bỏ qua nhánh từ hóa (Z_m = ∞ ) và thành lập lại sơ đồ thay thế gần đúng trình bày trên hình 3.3a.

Khi bỏ qua tổng trở nhánh từ hóa, ta có:

Z_n = Z₁ + Z’₂ = r_n + jx_n (3.28)

Trong đó Z_n = r_n + jx_n là tổng trở ngắn mạch của mba; r_n = r₁ + r’₂ là điện trở ngắn mạch của mba; x_n = x₁ + x’₂ là điện kháng ngắn mạch của mba.

Trong MBA thường r_n << x_n, nên có thể bỏ qua điện trở ngắn mạch (r_n = 0). Trong trường hợp này mạch điện thay thế MBA trình bày trên hình 3.3b.

<b><small>Hình 3-3. Mạch điện tương đương gần đúng của MBA một pha hai dây quấn</small></b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 34</span><div class="page_container" data-page="34">

<b>3.3. ĐỒ THỊ VECTƠ CỦA MÁY BIẾN ÁP </b>

Vẽ đồ thị vectơ của mba nhằm mục đích thấy rõ quan hệ về trị số và góc lệch pha giữa các đại lượng vật lý , , , ... trong MBA, đồng thời để thấy rõ được sự thay đổi các đại lượng vật lý đó ở các chế độ làm việc khác nhau.

Φ&

U&

I&

<b><small> Hình 3-4 Đồ thị vector của máy biến áp </small></b>

<small> a, Tải tính cảm; b. Tải tính dung </small>

Hình 3-4a là đồ thị vectơ mba trong trường hợp phụ tải có tính chất điện cảm. Đồ thị vectơ được vẽ dựa vào các phương trình cân bằng điện áp và stđ của MBA. Cách vẽ đồ thị vectơ như sau :

+ Đặt vectơ từ thông Φ&_mtheo chiều dương trục hoành trục hoành. + Vẽ vectơ dịng điện khơng tải I&₀,vượt trước Φ&_m một góc α.

+ Vẽ các vectơ sđđ E&₁và <small>'</small> ₁do sinh ra, chậm sau nó một góc 90

+ Do tải có tính điện cảm nên dịng điện I&^'₂ chậm sau E&^'₂một góc ψ₂.

+ Theo phương trình (3.25c), ta vẽ vectơ dòng điện bằng vectơ dòng điện cộng với vectơ dòng điện .

<small>1</small> I& <small>0</small>

I& (−&I^'₂)

+ Vẽ các vectơ khác dựa vào các phương trình cân bằng (3.25a,b).

Đồ thị vectơ mba khi phụ tải có tính dung vẽ tương tự, nhưng dòng điện

</div><span class="text_page_counter">Trang 35</span><div class="page_container" data-page="35">

<b>Đồ thị vectơ đơn giản mba </b>

<b><small> Hình 3-5 Đồ thị vectơ đơn giản mba </small></b>

Trong sơ đồ thay thế gần đúng (hình 3-3a), ta cho là dịng điện &I_o =0, nên : &I₁ I&₂.

Phương trình cân bằng điện áp : U₁ U^'₂ I₁Z_n (3.30)

Ta vẽ được đồ thị vector tương ứng khi phụ tải có tính cảm như hình 3.5.

<b>3.4. XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ CỦA MÁY BIẾN ÁP </b>

Các tham số của MBA có thể xác định bằng thí nghiệm hoặc bằng tính tốn.

<b>3.4.1. Xác định các tham số bằng thí nghiệm </b>

Hai thí nghiệm dùng để xác định các tham số là thí nghiệm khơng tải và thí nghiệm ngắn mạch.

<b>1. Thí nghiệm khơng tải mba. </b>

Chế độ không tải mba là chế độ mà thứ cấp hở mạch (I₂ = 0), còn sơ cấp được cung cấp bởi một điện áp U₁. Trên hình 3.6 là mạch điện thay thế máy biến áp khi

U& =−& +&

hoặc U&₁ =&I₀(Z₁+Z_m)=I&₀Z₀ (3.31b) trong đó: Z₀ = Z₁ + Z_m = r_o + jx_o là tổng trở không của tải mba;

r_o = r₁ + r_m là điện trở không của tải mba; x_o = x₁ + x_m là điện kháng không của tải mba;

</div><span class="text_page_counter">Trang 36</span><div class="page_container" data-page="36">

Để xác định hệ số biến áp k, tổn hao sắt từ trong lõi thép p_Fe, và các thông số của mba ở chế độ khơng tải, ta thí nghiệm khơng tải. Sơ đồ nối dây để thí nghiệm khơng tải như trên hình 3.7. Đặt điện áp U₁ = U_1đm vào dây quấn sơ cấp, thứ cấp hở mạch, các dụng cụ đo cho ta các số liệu sau: oát kế W đo được P₀ là công suất không tải; Ampe kế đo I₀ là dịng điện khơng tải; cịn vơn kế nối phía sơ cấp và thứ cấp lần lược đo U_1đm và U₂₀ là điện áp sơ cấp và thứ cấp.

Từ các số liệu đo được, ta tính :

Từ mạch điện thay thế hình 3.6, ta thấy tổn hao khơng tải là tổn hao đồng trên dây quấn sơ và tổn hao sắt trong lõi thép. Như vậy tổn hao không tải :

Do điện trở của dây quấn sơ và dịng điện khơng tải nhỏ nên ta bỏ qua tổn hao đồng trên dây quấn sơ lúc không tải. Như vậy tổ hao không tải P_o thực tế có thể xem là tổn hao sắt p_Fe do từ trễ và dịng điện xốy trong lõi thép gây nên.

</div><span class="text_page_counter">Trang 37</span><div class="page_container" data-page="37">

Vì điện áp đặt vào dây quấn sơ khơng đổi, nên Φ, do đó B cũng không đổi, nghĩa là tổn hao sắt, tức tổn hao không tải không đổi. <small>o</small> ≈ 90<small>o</small>, nghĩa là hệ số công suất lúc không tải rất thấp, thường cosϕ_o ≤ 0,1. Điều này có ý nghĩa thực tế rất lớn là khơng nên để MBA làm việc không tải hoặc non tải, vì lúc đó sẽ làm xấu hệ số cơng suất của lưới điện.

<b>2. Thí nghiệm ngắn mạch mba </b>

Chế độ ngắn mạch mba là chế độ mà phía thứ cấp bị nối tắt, sơ cấp đặt vào một điện áp U₁. Trong vận hành, nhiều nguyên nhân làm máy biến áp bị ngắn mạch như hai dây dẫn phía thứ cấp chập vào nhau, rơi xuống đất hoặc nối với nhau bằng tổng trở rất nhỏ. Đấy là tình trạng ngắn mạch sự cố, cần tránh.

<b><small>Hình 3.8 </small></b><small>Mạch điện thay thế m.b.a khi ngắn mạch</small>

Khi m.b.a ngắn mạch U₂ = 0, mạch điện thay thế m.b.a vẽ trên hình 3.8. Dòng điện sơ cấp là dòng điện ngắn mạch I_n.

Phương trình điện áp của mba ngắn mạch:

U&₁ =I&_n r_n + jx_n &I_n =I&_nZ_n (3.41)

Từ phương trình (3.41), ta có dịng điện ngắn mạch khi U₁ = U_đm:

Do tổng trở ngắn mạch rất nhỏ nên dòng điện ngắn mạch rất lớn khoảng bằng (10 ÷ 25)I_đm. Đây là trường hợp sự cố, rất nguy hiểm cho máy biến áp. Khi sử dụng mba cần tránh tình trạng ngắn mạch nầy.

</div><span class="text_page_counter">Trang 38</span><div class="page_container" data-page="38">

<b>Tiến hành thí nghiệm NM như sau:</b> Dây quấn thứ cấp nối ngắn mạch, dây quấn sơ cấp nối với nguồn qua bộ điều chỉnh điện áp. Ta điều chỉnh điện áp vào dây quấn sơ cấp sao cho dòng điện trong các dây quấn bằng định mức. Điện áp đó gọi là điện áp ngắn mạch U_n. Lúc đó các dụng cụ đo cho ta các số liệu sau: Vôn kế chỉ U_n là điện áp ngắn mạch; oát kế chỉ P_n là tổn hao ngắn mạch; Ampe kế chỉ I_1đm và I_2đm là dòng điện sơ cấp và thứ cấp định mức. Từ các số liệu đo được, ta tính :

<i>a) Tổn hao ngắn mạch </i>

Lúc thí nghiệm ngắn mạch, điện áp ngắn mạch U_n nhỏ (u_n = 4-15%U_đm) nên từ thông Φ nhỏ, có thể bỏ qua tổn hao sắt từ. Cơng suất đo được trong thí nghiệm ngắn mạch P_n là :

P_n = r_nI_n² = r₁I²_1đm + r₂I²_2đm (3.44)

Như vậy tổn hao ngắn mạch chính là tổn hao đồng trên hai dây quấn sơ cấp và dây quấn thứ cấp khi tải định mức.

<i>b) Tổng trở, điện trở và điện kháng ngắn mạch. </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 39</span><div class="page_container" data-page="39">

Điện áp ngắn mạch phần trăm:

Điện áp ngắn mạch U_n gồm hai thành phần: Thành phần trên điện trở r_n, gọi là điện áp ngắn mạch tác dụng U_nr, Thành phần trên điện kháng x_n, gọi là điện áp ngắn mạch phản kháng U_nx.

+ Điện áp ngắn mạch tác dụng phần trăm:

</div><span class="text_page_counter">Trang 40</span><div class="page_container" data-page="40">

k_r : hệ số làm tăng tổn hao do từ trường tản ρ₇₅ : điện trở suất của dây dẫn làm dây quấn.

<i> Điện kháng ngắn mạch </i>

Việc xác định x₁ và x₂ liên quan đến việc xác định sự phấn bố từ trường tản của từng dây quấn. Ở dây ta xác định x₁ và x₂ gần đúng với giả thiết đơn giản. Xét cho trường hợp dây quấn hình trụ (hình 3-8). Chiều dài tính tốn của dây quấn l<small>σ</small> lớn hơn chiều dài thực l của dây quấn một ít :

Xác định biên giới từ thông tản của hai dây quấn sẽ rất khó khăn, do đó việc tính toán riêng rẽ các tham số x₁ và x₂ khơng thể thực hiện được. Ta có thể xác

</div>