Điện Kỹ thuật 2 Giáo trình, bài giảng dành cho sinh viên Đại học, Cao đẳng

TRƢỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG
KHOA CƠ BẢN
BỘ MÔN VẬT LÝ

Biên soạn: Đỗ Mƣời

ĐIỆN KỸ THUẬT

Tháng 12-2016
LƯU HÀNH NỘI BỘ

1


TRƢỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG
KHOA CƠ BẢN
BỘ MÔN VẬT LÝ

Biên soạn: Đỗ Mƣời

KỸ THUẬT ĐIỆN
Tháng 12-2016
LƯU HÀNH NỘI BỘ

2


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ...............................................................................................................................................6
CHƢƠNG 1. MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA ..................................................................................7
1.1. Khái niệm chung về mạch điện xoay chiều ba pha .............................................................................7

1.2. Cách nối hình sao (Y)..........................................................................................................................9
1.3. Cách nối hình tam giác   ...............................................................................................................12
1.4. Công suất mạch ba pha......................................................................................................................13
1.5. Ứng dụng cách nối hình sao và tam giác...........................................................................................15
CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 1......................................................................................16
CHƢƠNG 2. MÁY BIẾN ÁP ......................................................................................................................19
2.1. Khái niệm chung về máy biến áp ......................................................................................................19
2.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy biến áp ...............................................................................20
2.3. Các phƣơng trình cân bằng điện và từ của máy biến áp....................................................................23
2.4. Hiệu suất của máy biến áp.................................................................................................................30
2.5. Máy biến áp ba pha ...........................................................................................................................34
2.6. Các máy biến áp đặc biệt...................................................................................................................35
CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 2......................................................................................40
CHƢƠNG 3. MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU ..................................................................................................43
3.1. Khái niệm chung ...............................................................................................................................43
3.2. Cấu tạo của máy điện không đồng bộ ba pha ....................................................................................43
3.3. Từ trƣờng quay của máy điện không đồng bộ...................................................................................44
3.4. Nguyên lý làm việc của máy điện không đồng bộ ba pha .................................................................49
3.5. Hệ số trƣợt và dòng điện trong rotor động cơ không đồng bộ ..........................................................50
3.6. Các phƣơng trình cân bằng điện và từ trong động cơ điện không đồng bộ ba pha ...........................51
3


3.7. Momen quay của động cơ điện xoay chiều ba pha ...........................................................................59
3.8. Động cơ điện không đồng bộ một pha ..............................................................................................61
3.9. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy điện đồng bộ ......................................................................64
3.10. Nguyên lý làm việc của động cơ điện đồng bộ ...............................................................................67
3.11. Phản ứng phần ứng và điện áp của máy phát điện đồng bộ ............................................................69
3.12. Công suất và momen điện từ của máy điện đồng bộ.......................................................................72
3.13. Đƣờng đặc tính ngoài và đặc tính điều chỉnh của máy phát đồng bộ..............................................74

CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 3......................................................................................76
CHƢƠNG 4. MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU.....................................................................................................80
4.1. Cấu tạo ..............................................................................................................................................80
4.2. Nguyên lý làm việc của máy điện một chiều ....................................................................................81
4.3. Suất điện động và momen điện từ của máy điện một chiều ..............................................................83
4.4. Máy phát điện một chiều ...................................................................................................................86
4.5. Động cơ điện một chiều ....................................................................................................................90
CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 4......................................................................................99
CHƢƠNG 5. CÁC DỤNG CỤ ĐO ĐIỆN VÀ ĐO LƢỜNG ĐIỆN ..........................................................102
5.1. Các khái niệm cơ bản về kỹ thuật đo lƣờng ....................................................................................102
5.2. Các cơ cấu biến đổi điện cơ ............................................................................................................108
5.3. Đo dòng điện và điện áp ..................................................................................................................116
5.4. Đo các thông số của mạch điện .......................................................................................................121
5.5. Đo công suất và đo năng lƣợng điện ...............................................................................................127
5.6. Đo hệ số công suất cos  ................................................................................................................134
5.7. Đo lƣờng các đại lƣợng không điện ................................................................................................136
5.8. Đo lƣờng số .....................................................................................................................................137
CHƢƠNG 6. AN TOÀN ĐIỆN .................................................................................................................141
4


6.1. Tác dụng sinh lý của dòng điện đối với cơ thể ngƣời .....................................................................141
6.2. Các nguyên nhân gây ra tai nạn về điện ..........................................................................................142
6.3. Các biện pháp bảo vệ an toàn điện ..................................................................................................146
6.4. Các phƣơng tiện bảo vệ và xử lý khi có tai nạn về điện..................................................................148
CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 6....................................................................................152
PHỤ LỤC BIỂU DIỄN DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN BẰNG SỐ PHỨC ......................................................153
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..........................................................................................................................157

5

LỜI NÓI ĐẦU
Môn học Kỹ thuật điện đƣợc giảng dạy chính khóa cho sinh viên ngành Sƣ phạm
Vật lý tại Trƣờng Đại học Phạm Văn Đồng. Đây là môn học có tính giao thoa giữa ngành
Vật lý và các ngành khối kỹ thuật công nghệ nên các quá trình vật lý xảy ra trong các máy
móc thiết bị sẽ đƣợc đặc biệt quan tâm trong tài liệu này.
Mục đích của tài liệu là cung cấp cho ngƣời học những khái niệm cơ sở trong kỹ
thuật điện, từ cấu tạo - nguyên lý hoạt động của các máy móc, thiết bị đến các ứng dụng
của chúng trong đời sống. Với nội dung bao gồm các phần: Mạch điện xoay chiều ba pha,
máy biến áp, máy điện xoay chiều, máy điện một chiều, các dụng cụ đo điện - đo lƣờng
điện, an toàn điện. Ở cuối mỗi phần đều có hệ thống các câu hỏi hoặc bài tập nhằm hệ
thống hóa kiến thức đã học. Ngoài ra, một số các phép biểu diễn dòng điện bằng số phức
cũng đƣợc đƣa vào tài liệu nhƣ phần phục vụ tra cứu.
Vì là lần đầu tiên lƣu hành, hẳn nhiên quyển tài liệu này không khỏi thiếu sót. Ngƣời
biên soạn xin chân thành tiếp thu ý kiến đóng góp của đồng nghiệp. Mọi ý kiến xin gởi
về: Đỗ Mƣời, email:
Người biên soạn

6


CHƢƠNG 1. MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA
1.1. Khái niệm chung về mạch điện xoay chiều ba pha
Nguồn điện xoay chiều ba pha là một hệ thống gồm ba suất điện động một pha có
cùng biên độ, cùng tần số, nhƣng lệch pha nhau 120 0 hay

1
chu kỳ. Mạch điện ba pha
3

gồm nguồn điện ba pha, đƣờng dây truyền tải và tải ba pha.
Ngày nay, trong công nghiệp dùng rất rộng rãi điện năng dòng điện hình sin ba pha.
Động cơ điện ba pha có cấu tạo đơn giản và đặc tính tốt hơn động cơ một pha. Hơn nữa,
việc truyền tải điện năng bằng dòng điện ba pha tiết kiệm đƣợc kim loại màu hơn việc
truyền tải điện năng bằng dòng điện một pha.
Hình vẽ 1-1 vẽ mặt cắt ngang một máy phát điện ba pha đơn giản. Phần quay
(rotor) là một nam châm điện N – S. Phần tĩnh (stator) gồm sáu rãnh, trên mỗi cặp rãnh
đặt các dây quấn AX, BY, CZ, lệch nhau 1200 hình học trong không gian. Khi quay
rotor, trong các dây quấn cảm ứng ra những suất điện động hình sin cùng biên độ và tần
số. Các suất điện động sẽ lần lƣợt đạt các trị số cực đại ở thời điểm khi trục cực từ cắt các
thanh dẫn ba cuộn dây, vì vậy chúng lệch pha nhau 1200 .

A
Y

N
Z

C

S

B

X

Hình 1-1. Máy phát điện ba pha

Nếu chọn pha ban đầu của sức điện động trong cuộn dây AX bằng 0, thì các suất

điện động tức thời e A , e B , e C trong các cuộn dây sẽ có dạng:

7


e A  E max sin t









e B  E max sin t  1200

(1.1)



e C  E max sin t  1200  E max sin t  2400



Hoặc chuyển sang hiệu dụng phức:
0

   Ee j0  00
  e j120    1200

0

(1.2)

C  e j120  e  j240  1200
0

0

Hình vẽ 1-2a, b vẽ đồ thị hình sin và đồ thị vectơ biểu diễn các suất điện động tức
thời. Nhìn hình vẽ ta thấy tổng các suất điện động tại thời điểm bất kỳ nào cũng bằng
không. Hệ thống suất điện động ba pha nhƣ vậy gọi là hệ thống suất điện động ba pha đối
xứng.
e
eA

eB

eC

EA
120 0
120 0

O

EB





2 
2 
2 
3



3



3



120 0

EC

a)

b)
Hình 1-2. a) Đồ thị trị số tức thời sđđ ba pha
b) Giản đồ vectơ sđđ ba pha

Nếu các dây quấn AX, BY, CZ của nguồn điện nối riêng rẽ với các phụ tải có tổng
trở pha   ,   ,  C , ta có hệ thống ba pha gồm ba mạch một pha không liên hệ nhau, mỗi
mạch điện gọi là một pha của mạch điện ba pha (hình 1-3).
8

Các suất điện động, dây quấn của máy phát và phụ tải trong một pha gọi là suất
điện động pha, dây quấn pha, phụ tải pha… sau này ta quen gọi một cách không chính xác
các dây quấn máy phát là các pha của máy phát, các phụ tải pha là các pha của phụ tải.
Mỗi pha của máy phát và phụ tải có hai đầu ra: điểm đầu và điểm cuối. Điểm đầu các pha
ký hiệu bằng những chữ cái A, B, C; điểm cuối các pha ký hiệu bằng những chữ cái tƣơng
ứng X, Y, Z. Chiều dƣơng dòng điện trong các pha máy phát quy ƣớc đi từ điểm cuối đến
điểm đầu, còn ngƣợc lại ở trong các pha phụ tải đi từ điểm đầu đến điểm cuối.

A
IA

ZA

X
Z
C

Y
IB

B

ZB

ZC

IC

Hình 1-3. Hệ ba pha không liên hệ

Hệ thống mạch ba pha không liên hệ ít đƣợc ứng dụng trong thực tế vì cần tới sáu
dây dẫn không kinh tế. Với cách nối các pha máy phát và phụ tải thành hình sao hoặc
hình tam giác, giữa các pha mạch điện sẽ có liên hệ với nhau và mạch cần ít dây dẫn hơn.
1.2. Cách nối hình sao (Y)
Id IA

A

A'

UA
Up

U AB
Ud

O
C

B

I0

IB

O'
C'

B'

IC

Hình 1-4. Mạch ba pha bốn dây

9


- Mạch ba pha mắc hình sao tức là đấu ba điểm cuối X, Y, Z thành một điểm chung gọi là
điểm trung tính (điểm O). Hình 1-4 vẽ mạch điện ba pha mà nguồn và phụ tải đều nối
hình sao.
- Dây dẫn nối với các điểm đầu A, B, C gọi là dây pha.
- Dây dẫn nối với điểm O gọi là dây trung tính hay dây trung hòa.
- Nếu mạch chỉ có ba dây pha A, B, C gọi là mạch ba pha ba dây. Còn nếu có cả dây trung
hòa A, B, C, O thì gọi là mạch ba pha bốn dây.
- Dòng điện đi trong các cuộn dây pha gọi là dòng điện pha I p .
- Dòng điện đi trên các dây pha gọi là dòng điện dây I d .
- Dòng điện đi trong dây trung tính ký hiệu là I 0 .
- Điện áp giữa hai đầu cuộn dây pha gọi là điện áp pha U p .
- Điện áp giữa hai dây pha gọi là điện áp dây U d .
Quan hệ giữa các đại lƣợng dây và pha.
Theo sơ đồ hình sao (hình 1-4) ta thấy:
- Dòng điện đi trong cuộn dây pha chính là dòng điện đi trên dây pha tƣơng ứng. Suy ra
dòng điện dây bằng dòng điện pha:
Id  Ip

1.3

- Điện áp dây bằng hiệu hai điện áp pha tƣơng ứng. Hình 1-5 vẽ đồ thị vectơ hệ điện áp ba

pha đấu sao đối xứng. Từ hình vẽ ta thấy giữa các vectơ số phức điện áp dây

U AB , U BC , UCA và các vectơ số phức điện áp ba pha U A , U B , UC có quan hệ sau:
U AB  U A  U B ,
U BC  U B  U C ,

1.4

U CA  U C  U A

10


C

U AB

U CA
30 0

UC
O

U BC

B

UA
UB

U AB

A

Hình 1-5. Giản đồ vectơ của mạch ba pha nối hình sao đối xứng

Xét OAB trên giản đồ, ta thấy:
AB  2OB cos 30 0  2OB

3
 OB 3
2

AB là điện áp dây U d , OB là điện áp pha U p
+ Về góc pha: điện áp dây vƣợt trƣớc điện áp pha tƣơng ứng một góc 30 0
+ Về trị số: điện áp dây bằng 3 lần điện áp pha
U d  3U p

1.5

- Dòng điện trong dây trung tính I O có chiều dƣơng đi từ O đến O' . Khi phụ tải đối xứng
thì:
I0  I A  I B  IC  0

1.6

Nên ta có thể bỏ (không cần) dây trung tính. Mạch điện lúc đó là mạch ba pha ba
dây nhƣ hình vẽ 1-6.

Hình 1-6. Mạch ba pha ba dây

11


1.3. Cách nối hình tam giác  
Mạch ba pha nối hình tam giác là lấy điểm cuối pha này với điểm đầu pha kia.
Chẳng hạn nối X với B, Y với C và Z với A tạo thành một mạch vòng hình tam giác và ba
đỉnh tam giác nối với ba dây dẫn gọi là ba dây pha. Hình 1-7 vẽ mạch điện ba pha mà
nguồn và phụ tải đều nối hình tam giác.
Id

A

I AB

Ip
EA

EC

B

C

EB

A

Ud

Up

I CA
C

I BC

B

Id IC

Hình 1-7: Mạch ba pha nối hình tam giác

Quan hệ giữa các đại lƣợng điện áp, dòng điện dây và pha.
Theo sơ đồ đấu tam giác (hình 1-7).
- Điện áp đặt vào đầu mỗi pha chính là điện áp dây:
Up  Ud

1.7

- Quy ƣớc chiều dƣơng của dòng điện các pha chạy ở nguồn ngƣợc chiều kim đồng hồ,
còn chiều dƣơng của dòng điện các pha ở phụ tải theo chiều kim đồng hồ. Theo định luật
Kirchhoff 1 tại ba đỉnh A, B, C, ta có:

I A  I AB  ICA
I B  I BC  I AB

1.8

IC  ICA  I AB
Hình 1-8 vẽ các vectơ dòng điện ba pha đấu hình tam giác đối xứng. Từ hình vẽ ta thấy:

+ Về góc pha: Dòng điện dây chậm pha sau dòng điện pha một góc 30 0
+ Về trị số: Dòng điện dây bằng 3 lần dòng điện pha. Thực vậy xét, OAB ta thấy:
12


OA  2OB cos 30 0  2OB

3
 OB 3;
2

OA  I d , OB  I p

1.9

 Id  3I p

U AB

IC

 I CA

I AB
B
p

 I BC

I BA

IA

O

p

p

I BC

U BC

U CA
 I AB

Hình 1-8. Giản đồ vectơ của mạch ba pha đối xứng nối hình sao

1.4. Công suất mạch ba pha
1.4.1. Công suất mạch ba pha đối xứng
Đối với mạch ba pha đối xứng, do trị số dòng điện hiệu dụng, điện áp và góc lệch
pha ở ba pha nhƣ nhau nên công suất của các pha cũng bằng nhau.
- Công suất tác dụng ba pha:
P3pha  3P1pha  3U p I p cos   3U d I d cos   3R p I 2p

1.10

+ Nếu mạch ba pha đấu sao thì:
U d  3U p
Id  Ip

13


+ Nếu mạch đấu tam giác thì:
I d  3I p
Ud  Up

- Công suất phản kháng ba pha:
Q3p  3U p I p sin   3U d I d sin   3X p I 2p

1.11

- Công suất biểu kiến ba pha:
S3p  3U p I p  3U d I d  P32pha  Q32pha

1.12

1.4.2. Công suất mạch ba pha không đối xứng
Đối với mạch ba pha không đối xứng thì hệ thống điện ba pha là tập hợp ba mạch
điện một pha, nên công suất chung của hệ thống là tổng công suất của các pha.
- Công suất tác dụng của mỗi pha:
PA  U A I A cos  A
PB  U B I B cos  B

1.13

PC  U C I C cos  C

Trong đó: U A , U B , U C là điện áp các pha; I A , I B , I C là dòng điện các pha; A ,  B , C
là góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp mỗi pha

- Công suất tác dụng của ba pha:
P3pha  PA  PB  PC  U A I A cos A  U B I B cos B  U C I C cos C

1.14

- Công suất phản kháng ba pha:
Q3pha  Q A  Q B  QC  U A I A sin A  U B I B sin B  U C I C sin C

1.15

- Công suất biểu kiến 3 pha:
S3pha  P32pha  Q 32pha

1.16

14


1.5. Ứng dụng cách nối hình sao và tam giác
Nguồn điện và phụ tải ba pha đều có thể nối hình sao hoặc hình tam giác, tùy theo
điều kiện cụ thể nhƣ điện áp quy định của thiết bị, điện áp của mạng điện và một số yêu
cầu về kỹ thuật khác. Dƣới đây ta xét vài trƣờng hợp thƣờng gặp.
1.5.1. Cách nối nguồn điện
Nguồn điện có thể là máy phát điện hoặc máy biến áp. Đối với máy phát điện có thể
nối theo hình sao hoặc hình tam giác. Nhƣng thƣờng hay nối hình sao để tránh dòng điện
chạy quẩn trong dây quấn các pha. Nếu nối dây quấn theo hình tam giác thì do hệ thống
suất điện động của các pha không thể hoàn toàn đối xứng, nên trong mạch vòng dây quấn
sẽ xuất hiện sức điện động tổng:
e  eA  eB  eC  0

Trong dây quấn sẽ có dòng điện chạy quẩn do e gây nên, ngay cả khi máy phát chạy
không tải.
Đối với máy biến áp thì cách nối hình sao hay hình tam giác đều đƣợc dùng nhiều
nhƣ nhau.
1.5.2. Cách nối dây động cơ điện
Mỗi động cơ ba pha gồm có ba dây quấn pha. Khi thiết kế ngƣời ta đã quy định điện
áp cho mỗi dây quấn. Lúc động cơ làm việc yêu cầu phải đúng với điện áp quy định ấy.
Ví dụ động cơ ba pha có điện áp quy định cho mỗi dây quấn là 220V (nghĩa là
U p  220V ), do đó trên nhãn hiệu của động cơ sẽ ghi là:  / Y  220 / 380V . Nếu nhƣ ta nối
động cơ vào làm việc ở mạng điện có điện áp dây là 380V thì động cơ phải đƣợc nối hình
sao, vì lúc đó điện áp đặt lên mỗi dây quấn pha của động cơ sẽ là U p 

380
3

 220V , bằng

đúng điện áp quy định. Nếu động cơ đƣợc nối vào làm việc ở mạng điện có điện áp dây là
220V thì động cơ phải đƣợc nối hình tam giác, lúc đó điện áp đặt lên mỗi dây quấn bằng
điện áp dây 220V, đúng bằng điện áp quy định.

15


CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 1
1. Nêu những ƣu điểm của mạch điện ba pha
2. Các đặc điểm của mạch điện ba pha đối xứng
3. Định nghĩa điện áp dây, điện áp pha, dòng điện dây, dòng điện pha và quan hệ giữa
chúng khi nối sao và nối tam giác
4. Các biểu thức của công suất P, Q, S trong mạch ba pha đối xứng

5. Vẽ tam giác công suất dựa trên biểu thức của công suất P, Q, S trong mạch ba pha đối
xứng, tìm biểu thức cos  dựa trên tam giác công suất đó.
6. Hãy nêu ý nghĩa vật lý của hệ số công suất cos  của một mạng điện
7. Hãy giải thích tại sao ở một pha của mạch điện xoay chiều ta có:
P  P1  P2  ...  Pn
Q  Q1  Q 2  ...  Q n

Nhƣng ta lại có:

S  S1  S2  ...  Sn

Trong đó Pi , Q i và S i là công suất tác dụng, công suất phản kháng và công suất biểu
kiến của thiết bị tiêu thụ điện từ thứ i.
Với điều kiện nào thì dấu = xảy ra.
8. Cho một mạch điện ba pha, nguồn điện nối hình sao, tải nối hình tam giác. Điện áp pha
.

của nguồn là U pn  200V , tổng trở pha tải Z pt  4  j3 ()
a. Tính điện áp pha tải, I p và I d
b. Tính công suất tác dụng, công suất phản kháng và công suất biểu kiến trên tải 3
pha.
Đáp số: U p  200 3 V ; I p  40 3 A; I d  120 A; P  57600W ; Q  43200Var ; S  72000VA

16


9. Một nguồn điện xoay chiều 3 pha có U p  220V . Khi đấu các pha của nguồn theo hình
sao ngƣời ta đã đấu ngƣợc ở pha A (các điểm A và Y, Z đƣợc nối với nhau thành điểm
trung tính của máy phát). Tính điện áp U XB , U BC , U CX .
Đáp số: U XB  220V ;U BC  380V ;U CX  220V

10. Cho mạch điện 3 pha, tải nối sao, nguồn nối tam giác. Nguồn và tải đều đối xứng.
Dòng điện pha của tải là I pt  50A , điện áp pha của tải là U pt  220V
a. Hãy vẽ sơ đồ nối dây mạch 3 pha trên, kí hiệu rõ các đại lƣợng trên sơ đồ.
b. Tính dòng điện pha nguồn I pn và điện áp pha nguồn U pn .
Đáp số: I pn  28.86 A;U pn  380V
11. Một tải 3 pha có điện trở mỗi pha R p  6 , điện kháng pha X p  8 , nối tam giác, đấu
vào mạng điện có U d  220V
a. Tính dòng điện pha I p , dòng điện dây I d .
b. Tính công suất tác dụng, công suất phản kháng, công suất biểu kiến trên tải 3 pha.
Đáp số: I d  22 3 A; I p  22 A; P  8712W ; Q  11616Var ; S  14520VA
12. Cho mạch điện 3 pha tải nối hình sao đối xứng đấu vào mạng điện 3 pha có điện áp
dây là 380V, điện trở R  20 , điện kháng X L 15
a. Tính dòng điện pha I p và dòng điện dây I d .
b. Tính công suất tác dụng, công suất phản kháng và công suất biểu kiến trên tải 3
pha.
Đáp số: I p  I d  8.8 A; P  4464.4W ; Q  3484.8Var ; S  5808VA
13. Một mạch điện 3 pha có dây trung tính 380V / 220V cung cấp điện cho 90 bóng đèn sợi
đốt, số hiệu định mức của mỗi đèn U đm  220V, Pđm  60W . Số bóng đèn đƣợc phân đều cho
3 pha.
a. Vẽ sơ đồ mạch điện 3 pha.
b. Tính I A , I B , I C , I 0 , P khi tất cả bóng đèn đều bật sáng.
17


c. Tính I A , I B , I C , I 0 , P khi pha A có 10 đèn bật sáng, pha B có 20 đèn bật sáng, pha C
cắt điện
d. Tính điện áp đặt lên các đèn pha A và pha B ở câu c) trong trƣờng hợ dây trung
tính bị đứt
Đáp số: b) I A  I B  I C  8.18 A; I 0  0 c) I A  2.73 A; I B  5.45 A; I C  0; I 0  4.72 A
d) U 'A  253.27V ;U B'  126.63V

14. Một động cơ không đồng bộ có số liệu định mức sau: công suất định mức Pđm  11kW ,
hiệu suất đm  77.5% , hệ số công suất cos đm  0.7 , thông số ghi trên nhãn:
Y /   380 / 220V . Ngƣời ta đấu động cơ vào mạng điện 220V/127V.
a. Xác định cách đấu dây động cơ
b. Tính công suất điện động cơ tiêu thụ từ lƣới điện ở chế độ định mức
c. Tính dòng điện dây I d và dòng điện pha I p của động cơ
Đáp số: a) Động cơ nối theo hình tam giác b )P1  14.2kW c )I d  41.28 A d )I p  23.86 A

18


CHƢƠNG 2. MÁY BIẾN ÁP
2.1. Khái niệm chung về máy biến áp
Máy biến áp là một thiết bị điện từ tĩnh dùng để biến đổi hệ thống dòng điện xoay
chiều ở cấp điện áp này thành hệ thống dòng điện xoay chiều cùng tần số ở cấp điện áp
khác.
Đầu vào của máy biến áp nối với nguồn điện, đƣợc gọi là sơ cấp. Đầu ra nối với tải
gọi là thứ cấp. Các đại lƣợng, các thông số sơ cấp trong kí hiệu có ghi chỉ số 1: số vòng
dây sơ cấp N 1 , điện áp sơ cấp U 1 , dòng điện sơ cấp I1 , công suất sơ cấp P1 . Các đại lƣợng
và thông số thứ cấp có chỉ số 2: số vòng dây thứ cấp N 2 , điện áp thứ cấp U 2 , dòng điện
thứ cấp I 2 , công suất thứ cấp P2 .
Nếu điện áp thứ cấp lớn hơn sơ cấp là máy biến áp tăng áp. Nếu điện áp thứ cấp nhỏ
hơn điện áp sơ cấp gọi là máy biến áp giảm áp.
Công suất định mức của máy biến áp là công suất biểu kiến thứ cấp ở chế độ làm
việc định mức. Công suất định mức ký hiệu là S đm , đơn vị là kVA
-Đối với máy biến áp một pha, công suất định mức là
Sđm  U 2đm I 2đm  U1đm I1đm

2.1

-Đối với máy biến áp ba pha, công suất định mức là
Sđm  3U 2đm I 2đm  3U1đm I1đm

2.2

Trên vỏ máy biến áp có ghi các thông số nhƣ dòng điện định mức, điện áp định
mức, tần số, số pha, sơ đồ nối dây, điện áp ngắn mạch, chế độ làm việc v.v…
Máy biến áp có vai trò quan trọng trong hệ thống điện, dùng để truyền tải và phân
phối điện năng. Để nâng cao khả năng truyền tải và giảm tổn hao trên đƣờng dây, ngƣời
ta nâng cao điện áp truyền tải trên dây, vì vậy ở đầu đƣờng dây truyền tải cần đặt máy
biến áp tăng áp. Điện áp tải thƣờng nhỏ, vì vậy ở cuối đƣờng dây phải đặt máy biến áp hạ
áp. Ngoài ra máy biến áp còn đƣợc sử dụng trong các lò nung, hàn điện, làm nguồn cho
các thiết bị điện, điện tử, đo lƣờng. Hình 2-1 trình bày sơ đồ truyền tải điện năng từ nhà
máy phát điện 1 đến nơi tiêu thụ 7.

19


4
1

5

6 / 220kV

6 / 0.22kV

6

220kV

6kV

2

I, P

3

220 / 6kV
0.22kV

Hình 2-1: Sơ đồ truyền tải điện năng từ máy phát tới nơi tiêu thụ

2.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy biến áp
2.2.1. Cấu tạo
Máy biến áp có hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn.
Lõi thép của máy biến áp dùng để dẫn từ thông chính, đƣợc chế tạo từ các vật liệu
dẫn từ tốt, nó còn đƣợc gọi là mạch từ. Lõi thép gồm các trụ thép và gông từ. Các dây
quấn đƣợc lắp đặt trên trụ thép, gông từ là phần khép kín mạch từ giữa các trụ. Lõi thép
đƣợc làm bằng lá thép kỹ thuật điện (dày 0.35mm đến 0.5mm, mặt ngoài sơn cách điện)
và ghép chặt thành khối nhƣ hình 2-2
gông
N1

Hạ áp

N2

Cao áp

Hình 2-2. Lõi thép và dây quấn máy biến áp

Dây quấn máy biến áp đƣợc chế tạo từ vật liệu bằng đồng hay nhôm, bên ngoài dây
dẫn đƣợc bọc cách điện. Các dây quấn của máy biến áp đƣợc quấn trên các trụ thép, gồm
nhiều lớp. Giữa các lớp dây quấn, giữa các dây quấn và giữa mỗi dây quấn và lõi thép
20


phải đƣợc cách điện tốt với nhau. Dây quấn nối với nguồn điện đƣợc gọi là dây quấn sơ
cấp, các dây quấn nối với phụ tải đƣợc gọi là dây quấn thứ cấp.
2.2.2. Nguyên lý làm việc
Nguyên lý làm việc của máy biến áp dựa trên cơ sở hiện tƣợng cảm ứng điện từ. Để
nắm đƣợc nguyên lý làm việc của máy biến áp, ta xét máy biến áp một pha hai dây quấn
nhƣ hình 2-3.
Nếu đặt vào cuộn dây sơ cấp của máy biến áp một dòng điện xoay chiều với điện áp
U 1 , dòng điện xoay chiều qua cuộn dây sẽ tạo ra trong mạch từ một từ thông  . Do mạch
từ khép kín nên từ thông này móc vòng qua các cuộn dây của máy biến áp và sinh ra
trong đó suất điện động
- Ở cuộn sơ cấp: e1   N1

d
dt

- Ở cuộn thứ cấp: e 2   N 2

d
dt

I1

U1

I2

N2

N1

U2



Hình 2-3. Sơ đồ nguyên lý máy biến áp

Vì  là từ thông biến thiên nên theo định luật cảm ứng điện từ, ở dây quấn sơ cấp sẽ
có suất điện động cảm ứng e1 , còn ở dây quấn thứ cấp có suất điện động cảm ứng e 2 .
Giả sử    max sin t
Ta có:

21


d


  N 1 max cos t  2fN1 max sin  t  
dt
2




 4.44fN1 max 2 sin  t  
2



 2E 1 sin  t  
2


2.3

d


 4.44fN 2  max 2 sin  t  
dt
2



 2E 2 sin  t  
2


2.4

e1   N 1

Tƣơng tự:
e 2  N 2

trong đó: E1  4.44fN1 max là giá trị hiệu dụng của suất điện động sơ cấp
E 2  4.44fN 2  max là giá trị hiệu dụng của suất điện động thứ cấp

f là tần số của dòng xoay chiều điện áp U 1
Hệ số biến áp k của máy biến áp là tỉ số:
k

E1 N1

E2 N2

2.5

Nếu bỏ qua điện trở dây quấn và từ thông tản ra ngoài không khí, có thể coi gần
đúng U1  E1 , U 2  E 2 , ta có:
U1 E1 N1


k
U2 E2 N2

nghĩa là tỉ số điện áp sơ cấp và thứ cấp gần đúng bằng tỉ số vòng dây tƣơng ứng.
Với k  1 : máy biến áp hạ áp
k  1 : máy biến áp tăng áp.

Nhƣ vậy, dây quấn sơ cấp và thứ cấp không không trực tiếp liên hệ với nhau về điện
nhƣng nhờ có từ thông chính, năng lƣợng đã đƣợc truyền từ dây quấn sơ cấp sang thứ

cấp.
Nếu bỏ qua tổn hao trong máy, có thể coi gần đúng:
22


U 1 I1  U 2 I 2


2.6

U 1 I1

k
U2 I2

2.3. Các phƣơng trình cân bằng điện và từ của máy biến áp
Để thiết lập đƣợc các phƣơng trình cân bằng điện và từ của máy biến áp, ta xét sơ đồ
máy biến áp một pha hai dây quấn nhƣ hình 2-4.
Dây quấn sơ cấp nối với nguồn có điện áp U 1 , dây quấn thứ cấp nối với tải có tổng
trở Z t .
Ngoài từ thông chính  , trong máy còn có từ thông tản. Từ thông này móc vòng lấy
các dây quấn và tản ra ngoài không khí (hình 2-4), nghĩa là nó không tham gia vào liên
kết điện từ giữa hai mạch điện do đó không đóng góp vào việc truyền năng lƣợng trong
máy biến áp. Từ thông tản sơ cấp kí hiệu t1  N1 t1 khi móc vòng dây quấn sơ cấp, và
đƣợc đặc trƣng bởi điện cảm tản L1 :
L1 

t1
i1

2.7

Từ thông tản thứ cấp kí hiệu t 2  N 2  t 2 chỉ móc vòng dây quấn thứ cấp và đƣợc
đặc trƣng bằng điện cảm tản L 2 :
L2 


t 2
i2

2.8

I2

I1
U1 E1

Zt

E2

 t1

U2

t2

Hình 2-4. Từ thông cơ bản và từ thông tản trong máy biến áp

23

.
.

Trên hình vẽ 2-4, chiều của I1 , E1 , I 2 , E 2 đƣợc chọn phù hợp với chiều của từ thông
chính  theo quy tắc vặn nút chai.
2.3.1. Phƣơng trình điện áp sơ cấp
Xét mạch điện sơ cấp, gồm nguồn điện áp u 1 , suất điện động e1 , điện trở dây quấn
sơ cấp R 1 , điện cảm tản sơ cấp L1 nhƣ hình 2-5. Áp dụng định luật Kirchhoff 2 cho mạch
điện sơ cấp, ta có phƣơng trình cân bằng điện áp sơ cấp viết dƣới dạng trị số tức thời:
R 1i 1  L1

di 1
 u 1  e1
dt

2.9

R1

X1

hay
u 1  R 1i 1  L 1

di 1
 e1
dt

U1

Nếu viết dƣới dạng số phức:

U1   E1  R1 I1  jL1 I1

2.10

U1   E1  I1  R1  jL1 
Tổng trở dây quấn sơ cấp là:

Hình 2-5. Mạch sơ cấp máy biến áp
Z1  R 1  jL1  R 1  jX1

trong đó

E1

2.11

X1  L1 là điện kháng tản dây quấn sơ cấp.

Phƣơng trình cân bằng điện áp sơ cấp viết dƣới dạng số phức:

U1  R1 I1  jX1 I1  E1  Z1 I1  E1

2.12

2.3.2. Phƣơng trình cân bằng điện áp thứ cấp
Xét mạch điện thứ cấp gồm suất điện động e 2 , điện trở dây quấn thứ cấp R 2 , điện

cảm tản dây quấn thứ cấp L 2 , tổng trở tải Z t nhƣ hình 2-6. Áp dụng định luật Kirchhoff 2
cho mạch này với các giá trị tức thời, ta có:

24


R 2i 2  L 2

di 2
 u 2  e 2
dt

u 2  e 2  R 2 i 2  L 2

di 2
dt

2.13

Chuyển sang hiệu dụng phức:

U 2   E 2  R 2 I2  jL2 I2   E 2  R 2 I 2  jX 2 I 2

2.14

  E 2  I 2 Z2
trong đó
Z 2  R 2  jX 2 là tổng trở phức của dây quấn thứ cấp
X 2  L 2 là điện kháng tản của dây quấn thứ cấp

Điện áp thứ cấp U 2 chính là điện áp đặt lên tải dó đó:

2.15

U 2  Zt I2
R2

X2

E2

U2

Zt

Hình 2-6. Mạch thứ cấp máy biến áp

2.3.3. Phƣơng trình cân bằng sức từ động
Vì điện trở cuộn dây sơ cấp nhỏ nên sụt áp R 1 I1 nhỏ hơn nhiều E 1 nên có thể xem
gần đúng U1   E1 , và về trị số cũng vậy U1  E1 .
Vì điện áp đặt vào biến áp U 1 không đổi nên E1  4.44fN1 max  const   max  const
Ở chế độ không tải I 2  0 , dòng sơ cấp lúc này là dòng không tải I 0 nên suất từ
động sơ cấp là i 0 N1 sinh ra từ thông chính.
25