Bài 1: khái niệm VỀ MÁY BIẾN ÁP

Bài 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN
1.1. Định nghĩa và phân loại:
1.1.1 Các loại máy điện và vai trò của chúng trong nền kinh tế quốc dân:
Trong tự nhiên luôn có sự chuyển hóa năng lượng từ dạng này sang dạng khác.
Điện năng cũng là một dạng của năng lượng. Nó rất cần thiết trong sản xuất và giữ vai
trò quyết định cho sự phát triển kinh tế đặc trong lĩnh vực điện khí hoá, tự động hoá
trong công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải ngày càng đòi hỏi các thiết bị khác
nhau.
Trong đó máy điện được sử dụng phổ biến để biến cơ năng, điện năng hoặc biến
đổi dạng điện năng này thành dạng điện năng khác (xoay chiều đến 1 chiều). Biến đổi
cơ năng thành điện năng nhờ máy phát điện có động cơ sơ cấp kéo như tua bin hơi,
tua bin nước, động cơ đốt trong.
Biến đổi điện năng thành cơ năng dùng trong truyền động điện người ta dùng các
loại động cơ điện. Việc truyền tải và phân phối điện năng xoay chiều từ trạm phát điện
đến các hộ dùng điện …việc biến đổi được thực nhờ máy biến áp..
Ngoài ra do các yêu cầu khác nhau của ngành sản xuất, giao thông vận tải nên xuất
hiện các loại máy điện đặc biệt như máy điện xay chiều có vành góp, máy khuếch đại
điện từ, các máy điện cực nhỏ…Trong sản xuất thường dùng cả dòng điện xoay chiều
và 1 chiều nên người ta chia các loại máy điện thành 2 loại máy điện xoay chiều và 1
chiều.
Máy điện là một hệ điện từ gồm mạch điện mạch từ liên quan với nhau. Máy điện
là thiết bị điện từ, nguyên lí làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ. Máy điện
gặp nhiều trong các ngành kinh tế như công nghiệp, giao thông vận tải…và trong các
dụng cụ sinh hoạt gia đình.
1.1.2. Phân loại:
Máy điện có nhiều loại khác nhau và có nhiều cách phân loại: theo công suất, cấu
tạo, theo chức năng, theo dòng điện (xoay chiều, 1 chiều) và nguyên lí làm việc vv…
• Theo chức năng:
 Các lọai máy phát điện để biến cơ năng thành điện năng.
 Các lọai động cơ điện để biến điện năng thành cơ năng.
 Các lọai máy biến áp để truyền tải và phân phối điện năng.

• Theo cấu tạo và trạng thái làm việc có thể phân ra làm các lọai sau
 Máy điện đứng yên: Máy biến áp.
 Máy điện quay: Dựa vào lưới điện chia thành 2 loại nhỏ: máy điện xoay
chiều và máy điện một chiều. Máy điện xoay chiều có thể phân thành máy điện
đồng bộ, máy điện không đồng bộ và máy điện xoay chiều có vành góp. Có thể
mô tả bằng hình vẽ như sau:

9


MÁY ĐIỆN

MÁY ĐIỆN TĨNH

MÁY ĐIỆN QUAY

MÁY ĐIỆN XOAY
CHIỀU

MÁY ĐIỆN
KHÔNG ĐỒNG
BỘ

MÁY BIẾN
ÁP

MÁY
PHÁT KĐB

ĐỘNG CƠ

KĐB

MÁY ĐIỆN MỘT
CHIỀU

MÁY ĐIỆN
ĐỒNG BỘ

MÁY
PHÁT ĐB

ĐỘNG CƠ
ĐB

MÁY
PHÁT DC

ĐỘNG CƠ
DC

Hình 1.1 Phân lọai máy điện

1.2. Tính thuận nghịch của máy điện:
Ngun lý làm việc của các máy điện dựa trên cơ sở định luật cảm ứng điện từ.
Sự biến đổi năng lượng trong máy điện được thực hiện thơng qua từ trường. Để tạo
được từ trường mạch và tập trung người ta dùng vật liệu sắt từ để làm mạch từ.
Ở các máy biến áp mạch từ là một lõi thép đứng n, còn trong các máy điện
quay mạch từ gồm hai lõi thép đồng trục: một quay và một đứng n và cách nhau một
khe hở. Theo tính chất thuận nghịch của định luật cảm ứng điện từ máy điện có thể
làm việc ở chế độ máy phát điện hoặc động cơ điện:

Đưa cơ năng vào phần quay của MĐ
nó sẽ làm việc ở chế độ máy phát:
Máy gồm một khung dây abcd hai đầu nối với
hai phiến góp, khung dây và phiến góp được
quay quanh trục của nó với vận tốc khơng đổi
trong từ trường của hai cực nam châm vĩnh cửu.
Theo định luệt cảm ứng điện từ trong thanh dẫn
sẽ cảm ứng lên sức điện động: e = B.l.v (V).
B: Từ cảm nơi thanh dẫn qt qua (T).
l: Chiều dài của thanh dẫn trong từ trường (m).
V:
Tốc
độ
dài
của
thanh
dẫn
(m/s).
Hình 1.2 Ngun tắc cấu tạo và làm việc của máy phát điện
10


Nếu mạch ngòai khép kín qua tải thì sức điện động trong khung dây sẽ sinh ra ở mạch
ngòai một dòng điện chạy từ A đến B. Máy làm việc ở chế độ máy phát điện biến cơ
năng thành điện năng.
Máy làm việc ở chế độ động cơ điện: Nếu
ta cho dòng điện một chiều đi vào khung dây vào
chổi than A và ra ở B. Dưới tác dụng của từ
trường sẽ có lực điện từ F = B.i.l tác dụng lên
cạnh khung dây. Chiều của lực điện từ được xác

định bằng qui tắc bàn tay trái, các lực F tạo
thành mô men quay rotor với vận tốc v. Khi rotor
quay cắt các đường sức từ sinh ra sức điện
động E có chiều ngược với chiều dòng điện.
Máy đã biến điện năng thành cơ năng.
Hình 1.3 Nguyên tắc cấu tạo và làm việc
của động cơ điện

1.3 Các định luật cơ bản trong máy điện
1.3.1 Định luật cảm ứng điện từ (định luật Faraday):
a. Trường hợp từ thông Φ biến thiên xuyên qua dòng dây(định luật Lenxơ):

Hình 1.4 Sức điện động trong vòing
dây có từ thông biến thiên

Giả sử ta có vòng dây, từ thông đi qua diện tích vòng dây là Φ. Qui ước chiều
dương cho vòng dây như sau: Vặn cái vặn nút chai theo chiều tiến của từ thông thì
chiều xoay của cái vặn nút chai sẽ là chiều dương của vòng. Khi từ thông Φ biến
thiên xuyên qua dòng dây dẫn, trong vòng dây sẽ cảm ứng sức điện động. Nếu
chiều suất điện động cảm ứng phù hợp với chiều đã chọn, sẽ có giá trị dương và
ngược lại sẽ có giá trị âm. Cho một thanh nam châm lại gần và dịch xa vòng dây
để làm thay đổi từ thông qua vòng sẽ làm xuất hiện sức điện động cảm ứng trong
vòng dây. Nếu từ thông biến thiên càng nhanh thì s.đ.đ càng lớn. Như vậy s.đ.đ
cảm ứng tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông. Nếu trong thời gian dt, từ thông
qua vòng biến thiên một lượng là dΦ thì trị số sức điện động cảm ứng trong một
vòng dây đựơc viết theo công thức Maxwell như sau:
e = - dΦ/dt
Nếu cuộn dây có w vòng, sđđ cảm ứng của cuộn dây sẽ là:
w.dΦ
dψ

=−
e= −
dt
dt
Trong đó: Ψ =w.Φ là từ thông móc vòng của cuộn dây. Đơn vị Webe (Wb).
11


b. Trường hợp thanh dẫn chuyển động trong từ trường:
Một thanh dẫn có chiều dài l, chuyển động với vận
tốc v vuông góc với đường sức của từ trường
(thường gặp trong máy phát điện), trong thanh dẫn
sẽ cảm ứng sđđ e ở trong một từ trường đứng yên
có từ cảm B.
e
= B.v.l (v và B hợp với nhau 1 góc 90°) (1.4)
Trong đó:
B: là cảm ứng từ tính bằng T (tesla).
l: chiều dài của thanh dẫn nằm trong từ
trường, đo bằng mét (m).
Hình 1.5 Qui tắc bàn tay phải
v: vận tốc thanh dẫn đo bằng m/s.
Chiều của s.đ.đ cảm ứng được xác định theo qui tắc bàn tay phải: Cho các đường sức
từ đâm vào lòng bàn tay phải, chiều ngón tay cái chãi ra chỉ chiều chuyển động của
thanh dẫn thì chiều từ cổ tay đến ngón tay chỉ chiều sức điện động.
1.3.2 Định luật lực điện từ (định luật Laplace):
Khi thanh dẫn với chiều dài l mang dòng điện i đặt thẳng
góc với từ cảm B (đường sức từ trường, trường hợp rất
thường gặp ở động cơ điện). Nó sẽ chịu một lực điện từ
F:

Chiều và độ lớn của lực f được xác định là tích vectơ:
  
f = i .l ∧ B
Có trị số: F = i.l.B
(i ⊥B)=90°
(1-5)
Trong đó:
B: từ cảm có đơn vị (T)
l: chiều dài tác dụng thanh dẫn đơn vị (m).
Hình 1.6 Qui tắc bàn tay trái
i: dòng điện đo bằng
ampe (A).
F: lực điện từ đo bằng Niuton (N).
Chiều của lực điện từ xác định theo qui tắc bàn tay trái: Để cho các đường sức từ đâm
vào lòng bàn tay trái, chiều từ cổ tay đến các ngón tay chỉ chiều dòng điện thì chiếu
ngón tay cái chãi ra chỉ chiều lực điện từ.
1.3.3 Định luật ôm từ.
1.3.3.1 Định luật ôm từ: Định luật ôm từ suy ra từ định lý ampere: Nếu H là cường độ
từ trường do một tập hợp dòng điện I 1, I2, I3,…In tạo ra và C là một đường kín bao
quanh chúng thì

∫ H.dl = ∑ i

K

C

Xét một mạch từ có w vòng dây và cho dòng điện I chạy qua ta được cường độ từ
trường H trong mạch từ, tiếp xúc với đường sức từ trung bình (C) có chiều dài l lúc đó
trở thành: H.l = w.i = F. Viết tổng quát ta có:

n

∫ H .dl = ∑ H i .li = w.i = F
i =1

Trong đó F là sức từ động để tạo ra từ thông Φ.

12


1.3.3.2 Tính tóan mạch từ:
a. Bài tóan thuận biết Φ tìm F: Cho một mạch từ gồm m phần tử nối tiếp. phần tử i có
chiều dài li , tiết diện Si. Tính sức từ động F để tạo ra từ thông Φ chạy trong mạch từ
đó.
Giải: Trong mạch từ nối tiếp, từ thông xuyên qua mọi tiết diện đều bằng nhau. Cách
tính như sau:
Bước 1: Tính từ cảm B

Bi =
Suy ra từ trường Hi như sau:
•

Φ
Si

−7
Nếu phần từ là khe hở không khí thì μ0 = 4π .10 H/m và

Hδ =

Bδ
µ0

•

Nếu đọan mạch từ là vật liệu sắt từ thì dựa vào đường cong từ hóa B= f(H) biết
B suy ra H.
Bước 2 : Tính sức từ động tổng tạo ra từ thông Φ
n

F = ∑ HiL i
i =1

Bước 3: Mặt khác F = i.w, tùy theo bài tóan cho số vòng dây hoặc dòng điện kích từ ta
tính được dòng điện hoặc số vòng dây cần có.
1.4 Các đơn vị: Sử dụng 2 loại đơn vị: Hệ tuyệt đối là các đơn vị có thứ nguyên.
Hiện nay sử dụng 2 loại đơn vị tuyệt đối là CGS µ 0 và SI: Quan hệ giữa các đơn vị
của hệ MKSA, SI và CGS µ 0
Tên các

Kí hiệu đơn vị

Kí hiệu đơn vị

đại lượng

hệ MKSA và SI

hệ CGS µ 0

Thời gian

s

s

1

Tần Số

Hz

Hz

1

Chiều dài

m

cm

102

Tốc độ dài

m/s

cm/s

102

Gia tốc

m/s2

cm/s2

102

Khối lượng

kg

g

103

Từ thông

Wb

Mx

108

Từ cảm

Wb/m2

G

104

Điện dung

F

Điện trở

Ω

13

Đơn vị MKSA
chuyển sang
hệ CGS µ 0


- Trong nghiên cứu tính toán, thiết kế các máy điện người ta dùng hệ tương đối.
I∗ = I / Iñm

U∗= U / Uñm

P∗ = P / Pñm

(1-6)

Trong đó:
I: là dòng điện đơn vị (A)

U: điện áp đơn vị (V)
P: công suất đơn vị (W)
Iđm, Uđm, Pđm: là các đại lượng định mức của dòng điện, điện áp, công suất.
1.5 Sơ lược về các vật liệu chế tạo máy điện: gồm có:
+ Vật liệu tác dụng: gồm vật liệu dẫn điện và dẫn từ chủ yếu để chế tạo dây quấn
và lõi thép.
+ Vật liệu cách điện dùng để cách điện các bộ phận dẫn điện và không dẫn điện
hoặc các bộ phận dẫn điện với nhau.
+ Vật liệu kết cấu dùng để chế tạo các chi tiết máy và bộ phận chịu lực tác dụng cơ
giới. Ta xét sơ lược đặc tính của vật liệu dẫn từ, dẫn điện cách điện dùng trong chế
tạo máy điện.
a. Vật liệu dẫn từ:
Người ta dùng những lá thép kĩ thuật, thép lá thông thường là thép đúc, thép rèn
để chế tạo mạch từ.
Các lá thép kĩ thuật điện (tôn silic) thường có mã hiệu: ∋11, ∋12, ∋13, ∋22, ∋32, ∋310
Trong đó:
+ ∋ chỉ lá thép kĩ thuật.
+ Số thứ nhất chỉ hàm lượng tôn silic chứa trong thép, số càng cao hàm lượng silic
càng nhiều thép dẫn từ tốt nhưng giòn dễ gãy.
+ Số thứ hai chỉ chất lượng thép về mặt tổn hao, số càng cao tổn hao càng ít.
+ Số thứ ba số 0 chỉ cho thép cán nguội (thép dẫn có hướng) thường sử dụng chế
tạo máy biến áp.
Ngoài ra các lõI thép kĩ thuật điện còn mang mã hiệu 3404, 3405…3408 có chiều
dày 0,3 mm; 0,35 mm.
Để giảm tổn hao do dòng điện xoáy, các lá tôn silic trên thường phủ một lớp sơn
cách điện mỏng sau đó mới được ghép chặt với nhau, từ đó sinh ra hệ số ép chặt Kc :
là tỉ số giữa chiều dài của lõi thép thuần thép với chiều dài thực của lõi thép kể cả phần
cách điện khi ghép.
b. Vật liệu dẫn điện:
Đồng (Cu) và nhôm (Al). Chúng có điện trở bé, chống ăn mòn tốt, tùy theo yêu cầu

về cách điện và độ bền cơ học ta dùng hợp kim của đồng và nhôm.
c. Vật liệu cách điện:
14


Dùng trong máy điện phải đạt yêu cầu:
+ Cường độ cách điện cao.
+ Chịu nhiệt tốt, tản nhiệt dễ dàng.
+ Chống ẩm ướt, độ bền cơ học cao.
Các chất cách điện dùng trong máy phát điện có thể ở thể hơi và thể rắn, thể lỏng.
Các chất cách điện ở thể rắn chia làm 4 loại:
+ Các chất hữu cơ thiên nhiên như: vải, lụa..
+ Các chất vô cơ như: mica, amiăng, sợi thủy tinh…
+ Các chất tổng hợp.
+ Các chất men, sợi cách điện, các chất tẩm sấy từ các vật liệu thiên nhiên và tổng
hợp.
Tùy theo tính chịu nhiệt các vật liệu cách điện chia thành các cấp sau:

Cấp cách điện:

Y

A

E

B

F

H

C

cho phép (°C) >180

90

105

120

130

155

180 > 180

Độ tăng nhiệt ∆t (°C)

50

65

80

90

Nhiệt độ cao nhất

115

140 > 140

Độ tăng nhiệt độ: ∆t = t1 − t2
Trong đó:

t1 nhiệt độ của máy,

t2 nhiệt độ mộI trường.

Theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN): nhiệt độ môi trường là 40°C còn của máy điện ta
bình quân. Hiện nay ta thường dùng cách điện cấp A, E, B.
Chú ý: Trên nhiệt độ cho phép 10% thì tuổI thọ của máy sẽ giảm đi 1/2 nên không
được phép làm việc trên nhiệt độ cho phép trong thời gian dài.
1.6 Phát nóng và làm mát MĐ:
1.6.1 Đại cương:
Các tổn thất trong quá trình biến đổi năng lượng của MĐ biến thành nhiệt năng làm
nóng các bộ phận cấu tạo MĐ. Tổn hao nhiều và khi tải nặng thì máy càng nóng. Nhiệt
độ của MĐ phụ thuộc vào chế độ làm việc: liên tục, ngắn hạn hoặc ngắn hạn lặp lại. Vì
kích thước và chế độ làm việc nhất định nên khi sử dụng không vượt quá giá trị định
mức trên máy. Nếu máy được tản nhiệt ra môi trường tốt thì công suất tăng, khả năng
mang tải nhiều hơn.
Các máy điện thường làm việc ở nhiều chế độ khác nhau và rất đa dạng.
a.
Làm việc với toàn bộ công suất trong thời gian dài.
b.
Làm việc ngắn hạn.
c.
Làm việc theo chu kì.

d.
Làm việc với tải thay đổi.

15


Do chế độ làm việc khác nhau nên sự phát nóng của MĐ cũng khác nhau. Vì vậy MĐ
phải thiết kế theo từng chế độ cụ thể sao cho các bộ phận của phát nóng phù hợp với
vật liệu.
Một số dạng sau đây:
α. Chế độ làm việc định mức liên tục:
Ở chế độ này, nhiệt độ tăng của máy phát đạt tới giá trị xác lập (với điều kiện tăng nhiệt
độ của môi trường không đổi).
β. Chế độ làm việc định mức ngắn hạn:
Thời gian làm việc của máy không đủ dài để các bộ phận của máy đạt tới giá trị xác lập
và sau đó thời gian máy nghỉ đủ dài để nhiệt độ hạ xuống bằng nhiệt độ môi trường
xung quanh.
γ. Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại:
Thời gian máy làm việc và nghỉ trong một chu kì không đủ dài để nhiệt độ các bộ phận
của máy đạt đến giá trị xác lập. Chế độ này đặc trưng bằng tỉ số giữa thời gian làm
việc và thời gian của một chu kì làm việc và nghỉ. Các tỉ số được chế tạo với 15%,
25%, 40%, 60%.
Chú ý: máy điện được chế tạo để dùng ở chế độ làm việc định mức liên tục.
1.6.2. Sự phát nóng và nguội lạnh của máy điện:
Các máy điện đều có cấu trúc phức tạp gồm nhiều bộ phận hình dạng khác nhau
và làm lạnh bằng các vật liệu có độ dẫn nhiệt không giống nhau. Khi máy làm việc,
nhiệt độ của lõi thép, dây quấn không bằng nhau do có sự trao đổi nhiệt giữa các bộ
phận. Hơn nữa nhiệt độ của chất làm lạnh ở mỗi khu vực trong máy cũng không giống
nhau.
a. Các kiểu cấu tạo của máy điện:

Kiểu cấu tạo của máy điện phụ thuộc vào phương pháp bảo vệ máy đối với môi trường
bên ngoài. Cấp bảo vệ được kí hiệu bằng chữ IP kèm theo hai chỉ số, chữ số thứ nhất
là Ι và chữ thứ hai P:
+ Ι gồm 7 cấp được đánh số từ 0 đến 6 chỉ mức độ bảo vệ chống sự tiếp xúc của
người và vật rơi.
+ P gồm 9 cấp, đánh số từ 0 dến 8 chỉ mức độ bảo vệ chống nước vào máy.
+ Số 0 ở IP rằng, máy không bảo vệ gì cả. Chia kiểu cấu tạo như sau:
- Kiểu hở: Không có bộ
phận che chở để tránh Hình 1.11. Hệ thống gió trục
các vật từ ngoài chạm của máy diện 1 chiều
vào phần quay hoặc các
bộ phận dẫn điện của nó.
Loại này đặt trong các
nhà máy hoặc phòng thí
nghiệm,
không
tránh
được ẩm ướt (IP00).
- Kiểu bảo vệ: Có các tấm
chắn có thể tránh được
các vật và nước rơi vào
máy. Loại này đặt trong
nhà (cấp bảo vệ từ ΙP11
đến ΙP33).

Hình 1.12. Hệ thống gió ngang trục
của máy điện 1 chiều

16

- Kiểu kín: Có vỏ bọc cách biệt trong phần máy với môi trường bên ngoài. Nó dùng ở
nơi ẩm ướt, kể cả ngoài trời. Tùy theo mức độ kín, cầp bảo vệ có từ ΙP44 trở lên.
b. Các phương pháp làm lạnh máy điện:
- Máy điện làm lạnh tự nhiên: không có bộ phận thổi gió làm lạnh, nên công suất giới
hạn trong khoảng (vài chục ÷ vài trăm) W nên có cách tản nhiệt để tăng thêm bề mặt
tản nhiệt.
- Máy điện làm lạnh trong: có quạt gió đặt đầu trục thổi vào trong máy. Đối với máy
công suất nhỏ, chiều dài nhỏ hơn 200 ÷ 250 mm, gió chỉ thổi dọc trục theo khe hở giữa
stato và Rôto và theo các rãnh thông gió dọc trục ở lõi thép Stato và Rôto (Hình 1.11).
Khi công suất máy lớn, chiều dài của máy tăng thì nhiệt độ dọc chiều dài của máy sẽ
không đều. Vì vậy phải tạo rãnh thông gió ngang trục. Lõi thép chia thành từng đoạn
dài khoảng 4 cm và khe hở giữa các đoạn khoảng 1 cm. Gió sẽ đi vào hai đầu rồI theo
các rãnh ngang trục và thoát ra ở giữa thân máy để rồi lai trở về hai đầu (Hình 1.12).
- Máy điện tự làm lạnh mặt ngoài: máy
thuộc kiểu kín. Ở đầu trục bên ngoài Hình 1.13. Máy điện tự làm lạnh mặt ngoài
máy có gắn quạt gió và nắp quạt gió
để hướng thổi dọc mặt ngoài của thân
máy. (Hình 1.13).
Để tăng diện tích của bề mặt máy
lạnh thân máy được đúc có cánh tản
nhiệt, có đặt quạt gió để tăng tốc độ
gió trong máy, do đó tăng thêm sự
trao đổi nhiệt giữa vỏ và lõi.
- Máy nhiệt làm lạnh độc lập: Ở các
máy lớn, quạt thường được đặt riêng ở ngoài để hút gió
Hình 1.14. Hệ làm lạnh
đưa nhiệt lượng trong máy ra ngoài. Để tránh hút bụi vào
độc lập và kín.
máy có thể dùng hệ thống làm lạnh riêng. Trong trường

hợp đó, không khí hoặc khí làm lạnh sau khi ở máy ra
được đưa qua bộ phận làm lạnh rồi lại được đưa vào máy
theo chu trình kín như trình bày trên (Hình 1.14).
- Máy điện làm lạnh trực tiếp: Khi công suất của máy điện
lớn, khoảng 300 ÷ 500 ngàn kW thì hệ làm lạnh kín bằng
khí hyđrô vẫn không đủ hiệu lực. Đối với các máy điện đó, dây quấn được chế tạo
bằng các thanh dẫn rỗng trong có nước hoặc dầu chạy qua để được làm lạnh trực
tiếp. Như vậy nhiệt lượng của dây quấn không phảI truyền qua chất cách điện mà
được nước hoặc dầu trực tiếp đem ra ngoài do đó có thể tăng mật độ dòng điện trong
thanh dẫn lên 3 đến 4 lần và giảm kích thước máy, tiết kiệm vật liệu chế tạo.
Câu hỏi:
1. Giải thích nguyên lí thuận nghịch của máy điện?
2. Các vật liệu chế tạo máy điện là gì?
3. Các phương pháp làm lạnh máy điện?

17