Bài giảng máy điện (cao đẳng chính quy)

MỤC LỤC
MỤC LỤC .......................................................................................................................1
PHẦN I MÁY BIẾN ÁP ................................................................................................3
Chương 1: NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN CỦA MÁY BIẾN ÁP ................................3
1.1. Khái niệm chung về máy biến áp.....................................................................3
1.2. Tổ nối dây và mạch từ của máy biến áp .........................................................9
1.3. Các quan hệ điện từ trong máy biến áp .........................................................15
CHƯƠNG 2: MÁY BIẾN ÁP LÀM VIỆC Ở TẢI XÁC LẬP ĐỐI XỨNG VÀ CÁC
DẠNG ĐẶC BIỆT ....................................................................................................27
2.1. Máy biến áp làm việc ở tải xác lập đối xứng .................................................27
2.2. Các loại máy biến áp đặc biệt ........................................................................31
PHẦN II: MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ ................................................................40
CHƯƠNG 1: QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ ...40
1.1. Đại cương về máy điện không đồng bộ .........................................................40
1.2. Quan hệ điện từ trong máy điện KĐB ...........................................................44
CHƯƠNG 2: MỞ MÁY VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KĐB ................55
2.1. Quá trình mở máy động cơ KĐB ...................................................................55
2.2. Các phương pháp mở máy động cơ KĐB ......................................................56
2.3. Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB....................................................................62
CHƯƠNG 3: CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC VÀ CÁC DẠNG KHÁC CỦA MÁY
ĐIỆN KĐB ................................................................................................................67
3.1. Các chế độ làm việc đặc biệt của động cơ KĐB ...........................................67
3.2. Các dạng khác của MĐ KĐB ........................................................................67
PHẦN 3 MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ .................................................................................70
CHƯƠNG I ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ ........................................70
1.1 Đại cương về máy điện đồng bộ .....................................................................70
1.2 Nguyên lý làm việc của máy điện ĐB ............................................................73
CHƯƠNG II TỪ TRƯỜNG VÀ QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MÁY ĐIỆN
ĐỒNG BỘ .................................................................................................................74
2.1. Từ trường trong máy điện đồng bộ ................................................................74
2.2. Quan hệ điện từ trong máy điện đồng bộ.......................................................74

CHƯƠNG III CÁC DẠNG KHÁC CỦA MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ .........................76
3.1. Động cơ điện đồng bộ ....................................................................................76
3.2. Máy bù đồng bộ .............................................................................................76
3.3. Máy điện đồng bộ đặc biệt .............................................................................77
PHẦN 4 MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU .............................................................................78
CHƯƠNG I ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY ĐIỆN 1 CHIỀU ...........................................78
1.1 Cấu tạo của máy điện 1 chiều, các đại lượng định mức .................................78
1.2 Các thông số định mức ...................................................................................80
1.3 Nguyên lý làm việc của máy điện 1 chiều ......................................................80
CHƯƠNG II TỪ TRƯỜNG VÀ QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MÁY ĐIỆN 1
CHIỀU .......................................................................................................................81
2.1. Từ trường trong máy điện 1 chiều .................................................................81
2.2. Quan hệ điện từ trong máy điện 1 chiều ........................................................82
CHƯƠNG III MÁY PHÁT VÀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU ..................................87
3.1. Máy phát điện 1 chiều ....................................................................................87
3.2. Động cơ điện 1 chiều .....................................................................................95


3.3. Máy điện 1 chiều đặc biệt ..............................................................................97


PHẦN I MÁY BIẾN ÁP
Chương 1: NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN CỦA MÁY BIẾN ÁP
1.1. Khái niệm chung về máy biến áp
1.1.1. Đại cương
a. Định nghĩa
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 này thành một hệ thống dòng
điện xoay chiều ở điện áp khác, với tần số không thay đổi.
b.Các đại lượng định mức.

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) Sđm (VA hay kVA) là công suất toàn phần
hay biểu kiến đưa ra ở dây quấn thứ cấp của MBA.
2. Điện áp dây sơ cấp định mức U1đm (V, kV) là điện áp của dây quấn sơ cấp.
3. Điện áp dây thứ cấp định mức U2đm (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 = U1đm.
4. Dòng điện dây sơ cấp định mức I1đm (A hay kA) và thứ cấp định mức I2đm là những
dòng điện dây của dây quấn sơ cấp và thứ cấp ứng với công suất và điện áp định mức.
Đối với MBA một pha:
I1đm 

S đm
S
; I 2 đm  đm
U1đm
U 2 đm

(1.1)

Đối với MBA ba pha:
I1đm 

S đm
S đm
; I 2 đm 
3U1đm
3U 2 đm

(1.2)

5. Tần số định mức fđm(Hz). Các MBA điện lực có tần số công nghiệp 50Hz.
Ngoài ra trên nhãn MBA còn ghi các số liệu khác như: tần số, số pha m, sơ đồ và tổ
nối dây...
c. Vai trò và công dụng của MBA.
Để dẫn điện từ nhà máy phát điện đến hộ tiêu thụ cần phải có đường dây tải điện

Hình 1.1 Sơ đồ cung cấp điện đơn giản


(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.
Ta có, dòng điện truyền tải trên đường dây:
I = P/(Ucosϕ)
Và tổn hao công suất trên đường dây:
ΔP = Rd.I2 = RdP2/(U2cos2ϕ)
Trong đó: P là công suất truyền tải trên đường dây; U là điện áp truyền tải của lưới
điện; Rd là điện trở đường dây tải điện và cosϕ là hệ số công suất của lưới điện, còn ϕ
là góc lệch pha giữa dòng 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 dòng 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 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).
1.1.2. Cấu tạo

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

Hình 1.2 Mạch từ MBA kiểu lõi: a) một pha. b) ba pha


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 ngoài các lá thép có sơn
cách điện rồi ghép lại với nhau thành lõi thép. Lõi thép gồm hai phần: Trụ và Gông
(hình 1.2). Trụ T là phần để đặt dây quấn còn gông G là phần nối liền giữa các trụ để
tạo thành mạch từ kín.
Dây quấn MBA.
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 nhôm, tiết diện tròn hay chữ
nhật, bên ngoài 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 còn dây quấn điện áp cao đặt
bên ngoài. Làm như vậy sẽ giảm được vật liệu cách điện.
Dây quấn MBA có hai loại chính như:
1. Dây quấn đồng tâm: ở dây quấn đồng tâm tiết diện ngang là những vòng tròn
đồng tâm. Những kiểu dây quấn đồng tâm chính gồm:
Dây quấn hình trụ (hình 1.3a,b), dùng cho cả dây quấn hạ áp và cao áp;
Dây quấn hình xoắn (hình 1.3c), dùng cho dây quấn hạ áp có nhiều sợi chập;
Dây quấn hình xoáy ốc liên tục (hình 1.3d), dùng cho dây quấn cao áp, tiết diện
dây dẫn chữ nhật.
2. Dây quấn xen kẽ: Các bánh dây cao áp và hạ áp lần lượt xen kẻ nhau dọc theo trụ thép.
Vỏ MBA.
Vỏ MBA làm bằng thép gồm hai bộ phận: thùng và nắp thùng.
1. Thùng MBA: Trong thùng MBA (hình 1-4) đặt lõi thép, dây quấn và dầu 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. Nắp thùng MBA: Dùng để đậy trên thùng và trên đó có các bộ phận quan 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) cóHình
ống1.3.
thủy
xem
Dâytinh
quấnđể
Máy
biến mức
áp dầu.
+ 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 thoát ra ngoài để MBA không 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.


hiểu

Hình 1.4 Máy biến áp dầu ba pha 16000kVA/110kV

1. móc vận chuyển; 2. Sứ cao áp 110kV; 4. Sứ trung áp 38.5kV; 5. Sứ hạ áp 10.5kV; 7. Ông phòng nổ; 8. Bình
Để
giãn dầu; 10. Thước chỉ dầu; 12. Xà ép gông; 13. Bình hút ẩm; 16. Dây quấn cao áp; 18. Bộ lọc đối lưu; 22. Võ
23.Bộ
tản nhiệt;
24. Cáp
cấpdáng
điện cho
động
cơ; 25.MBA
Động cơ
gióhai
làmdây
mát. 26.
Bộ truyền
rõ thùng;
hơn về
MBA
ta xem
hinh
bên
ngoài
baqụat
pha
quấn
công động
suất
chuyển mạch.

250kVA, điện áp 22/0.4kV của nhà máy chế tạo Thiết Bị Điện (hình 1.5).

Hình 1.5. MBA dầu ba pha, hai dây quấn

1.1.3. Nguyên lý làm việc cơ bản
Máy biến áp lý tưởng có các tính chất như sau:
1. Cuộn dây không có điện trở.
2. Từ thông chạy trong lõi thép móc vòng với hai dây quấn, không có từ thông tản
và không có tổn hao trong lõi thép.


3. Độ từ thẩm của thép rất lớn (μ = ∞), như vậy dòng từ hoá 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.
Nguyên lý làm việc của MBA:
Hình 1.6 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 hiệu
các đại lượng phía dây quấn sơ cấp đều có con số 1 kèm theo như u1, i1, e1,.. Dây quấn
2 có N2 vòng dây cung cấp điện cho phụ tải Zt, gọi là dây quấn thứ cấp. Ký hiệu các
đại lượng phía dây quấn thứ cấp đều có con số 2 kèm theo như u2, i2, e2,..
Đặt điện áp xoay chiều u1 vào
dây quấn sơ, trong dây quấn sơ sẽ có
dòng i1. Trong lõi thép sẽ có từ thông
Φ móc vòng 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 dòng điện i2 đưa ra tải

Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý của MBA một pha hai dây quấn

với điện áp là u2. Từ thông Φ móc vòng với cả hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp gọi là từ

thông chính.
Giả sử điện áp u1 hình sin nên từ thông Φ cũng biến thiên hình sin, ta có:
(1.3)

   m sin t

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:
e1   N1

d
d m sin t

  N1
  N1 m cos t  2 .E1. sin(t  )
dt
dt
2

(1.4)

e2   N 2

d
d m sin t

 N2
  N 2 m cos t  2 .E2 sin(t  )
dt
dt

2

(1.5)

trong đó, E1, E2 là trị số hiệu dụng của sđđ sơ cấp và thứ cấp, cho bởi:
E1 
E2 

N1 m
2

N 2  m
2

 2fN1 m  4,44 fN1
 2fN 2  m  4,44 fN 2  m

Gọi K là tỉ số biến áp của MBA thì:

(vì  = 2f )

(1.6)
(1.7)


K

E1 N1

E2 N 2

(1.8)

Nếu giả thiết MBA đã cho là lý tưởng, nghĩa là bỏ qua sụt áp gây ra do điện trở và
từ thông tản của dây quấn thì E1 ≈ U1 và E2 ≈ U2:
U1 E1 N1


K
U 2 E2 N 2

(1.9)

Nếu bỏ qua tổn hao trong MBA thì công suất S1 = S2 hay ta có:
U1I1 = U2I2
Như vậy, ta có:
U1 I 2

K
U 2 I1

(1.10)

Nếu N2 > N1 thì U2 > U1 và I2 < I1: MBA tăng áp.
Nếu N2 < N1 thì U2 < U1 và I2 > I1: MBA giảm áp
1.2. Tổ nối dây và mạch từ của máy biến áp
1.2.1. Tổ nối dây của máy biến áp
a. Khái niệm chung
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 hoá lõi thép và nêu lên cách tính toán mạch từ của MBA.
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.


Cách ký hiệu các đầu dây

Hình 1.7 Đánh dấu đầu dây MBA

Hình 1.8 Biểu diễn dạng vécto

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. Đối với dây
quấn MBA ba pha: các đầu đầu và đầu cuối chọn một cách thống nhất theo một chiều
nhất định (hình 1.7), nếu không điện áp ra của ba pha sẽ không đối xứng (hình 1.8).
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:
Cao áp

Hạ áp

Trung áp

Đầu đầu

A,B,C A,b,c A ,B ,C

Đầu cuối

X,Y,Z x.y,z

m

Trung tính 0

o

m

X ,Y ,Z
m

O

m

m
m

m

Các kiểu đấu dây quấn
1. Đấu hình sao (Y): Đấu ba điểm cuối X,Y,Z lại với nhau. (hình 1.10)

Hình 1.9 Đấu tam giác

Hình 1.10 Đấu hình sao


2. Đấu hình tam giác(Δ):
Đấu điểm đầu của pha này với điểm cuối của pha kia (hình 1.9)

Hình 1.11 Đấu Zic- Zắc

3. Đấu zíc-zắc (Z): Mỗi pha dây quấn MBA gồm hai nửa cuộn dây trên hai trụ khác
nhau mắc nối tiếp và đấu ngược chiều nhau (hình 1.11). Kiểu dây quấn này ít dùng vì
tốn đồng nhiều hơn, loại này chủ yếu gặp trong MBA dùng cho thiết chỉnh lưu.
b. Tổ nối dây của MBA.
Tổ nối dây MBA được hình thành do sự phối hợp kiểu dây quấn sơ cấp so với 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 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 1.12): 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 1.12a).
b) Hai dây quấn ngược chiều (hình 1.12b).
c) Đổi chiều kí hiệu một trong hai dây quấn (hình 1.12c).
Tổ nối dây của MBA một pha: kể từ vector sđđ sơ cấp đến vector sđđ thứ cấp theo
chiều kim đồng hồ:
o

+ Trường hợp a: lệch pha 360

o

+ Trường hợp b, c: lệch pha 180 .

Hình 1.12 Sự lệch pha của MBA một pha

Tổ nối dây của MBA ba pha: Ở MBA ba pha, do nối Y & Δ với những thứ tự khác
o

o

o

o

nhau mà góc lệch pha giữa sđđ dây sơ cấp và sđđ dây thứ cấp là 30 , 60 , 90 ,.., 360 .
Thực tế không dùng độ để chỉ góc lệch pha mà dùng kim đồng hồ (hình 1.13) để
biểu thị và gọi tên tổ nối dây MBA, cách biểu thị như sau:
+ Kim dài cố định ở con số 12, chỉ sđđ sơ cấp.
o

o

o

+ Kim ngắn chỉ 1,2,.., 12 ứng 30 ,60 ,..,360 chỉ sđđ thứ
cấp.
Trường hợp MBA một pha:

+ Trường hợp a: đặt tên là I/I-12.
+ Trường hợp b,c: đặt tên là I/I-6.
Trường hợp MBA ba pha:

Hình 1.14. Tìm tổ nối dây

+ MBA ba pha nối Y/Y:

Hình 1.13. Biểu thị góc lệch pha


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 1.14) thì vector sđđ pha giữa hai dây quấn
o

o

hoàn toàn trùng nhau và góc lệch pha giữa hai điện áp dây sẽ bằng 360 hay 0 . 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 cấp ta có tổ đấu dây Y/Y6,10,2. 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 1.15) thì vector sđđ pha
giữa hai dây quấn hoàn toàn trùng nhau và góc lệch pha giữa hai điện áp dây sẽ bằng
o

330 .
Ta nói MBA thuộc tổ nối dây 11 và ký hiệu là Y/Δ-11. Để nguyên dây quấn sơ,

Hình 1.15. Tìm tổ nối dây MBA nối Y/

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 lẻ.
1.2.2.Mạch từ của máy biến áp
1. Máy biến áp một pha
+ Mạch từ kiểu lõi
+ Mạch từ kiểu bọc
2. Máy biến áp ba pha

Hình 1.16 Tổ MBA ba


+ Hệ thống mạch từ riêng:
Từ thông ba pha độc lập (hình 1.16).
Ta có tổ MBA ba pha.
+ Hệ thống mạch từ chung: Từ thông ba pha liên quan nhau. Ta có MBA ba pha
ba trụ.


1.3. Các quan hệ điện từ trong máy biến áp
1.3.1. Các phương trình cơ bản
Để thấy rõ quá trình năng lượng trong MBA, ta hãy xét các quan hệ điện từ trong
trường hợp này.
a.Phương trình cân bằng điện áp (sđđ)
Trên hình 1.17 trình bày MBA một pha hai dây quấn, trong đó dây quấn sơ cấp nối
với nguồn, có số vòng N , dây quấn thứ cấp nối với tải có tổng trở Zt có số vòng N2.
1

Khi nối điện áp u vào dây quấn sơ cấp, trong dây quấn sơ cấp có dòng điện i chạy
1

1

qua. Nếu phía thứ cấp có tải thì trong dây quấn thứ cấp sẽ có dòng điện i chạy qua.
2

Các dòng điện i và i
1

2

sẽ tạo nên stđ sơ cấp
i N và stđ thứ cấp
1

1

iN.
2

2

Phần

lớn

từ

thông do hai stđ i N
1

1

và i N sinh ra được
2

2

khép mạch qua lõi

Hình 1.17 Từ thông MBA một pha hai dây quấn

thép móc vòng với cả dây quấn sơ cấp và thứ cấp được gọi là từ thông chính Φ. Từ
thông chính Φ gây nên trong các dây quấn sơ cấp và thứ cấp những sđđ e và e như đã
1

2

biết ở chương 2 như sau:
e1   N1

d
d 1

dt
dt

(1.11a)

e2   N 2

d
d 2

dt
dt

(1.11b)

trong đó Ψ = N Φ và Ψ = N Φ là từ thông móc vòng với dây quấn sơ cấp và thứ cấp
1

1

2

2

ứng với từ thông chính Φ.
Ngoài từ thông chính Φ chạy trong lõi thép, trong MBA các stđ i N và i N còn
1

1

2

2

sinh ra từ thông tản Φ và Φ . Từ thông tản không chạy trong lõi thép mà móc vòng
t1

t2

qua không khí, dầu biến áp, vật liệu cách điện... Vật liệu nầy có độ từ thẩm bé, do đó
từ thông tản nhỏ hơn rất nhiều so với từ thông chính và từ thông tản móc vòng với dây
quấn sinh ra nó. Từ thông tản Φ do dòng điện sơ cấp i gây ra và từ thông tản Φ do
t1

1

t2


dòng điện thứ cấp i gây ra. Các từ thông tản Φ và Φ biến thiên theo thời gian nên
2

t1

t2

cũng cảm ứng trong dây quấn sơ cấp sđđ tản e và thứ cấp sđđ tản e , mà trị số tức
t1

t2

thời là:
et1   N1

d t1
d t1
di

  Lt1 1
dt
dt
dt

(1.12a)

et 2   N1

d t 2
d t 2
di

  Lt 2 2
dt
dt
dt

(1.12b)

trong đó: L và L là điện cảm tản của dây quấn sơ cấp và thứ cấp.
t1

t2

Biễu diễn dưới dạng phức số:







(1.13a)

E t1   jLt1 I1   jx1 I1






(1.13b)

E t 2   jLt 2 I 2   jx2 I 2

trong đó:

x = ωL là điện kháng tản của dây quấn sơ cấp,
1

t1

x = ωL là điện kháng tản của dây quấn thứ cấp.
2

t2

*.Phương trình cân bằng điện áp dây quấn sơ cấp:
Xét mạch điện sơ cấp gồm nguồn điện áp u , sức điện động e , sđđ tản của dây
1

1

quấn sơ cấp e , điện trở dây quấn sơ cấp r . Áp dụng định luật Kirchhoff 2 cho mạch
t1

1

điện dây quấn sơ cấp ta có phương trình điện áp sơ cấp viết dưới dạng trị số tức thời
là:
(1.14a)

u1  e1  et1  r1i1

Biểu diễn (1.14a) dưới dạng số phức:








(1.14b)

U 1   E 1  E t1  r1 I 1

Thay (1.13a) vào (1.14b), ta có:








U 1   E 1  jx1 I 1  r1 I 1










(1.15)

U 1   E 1  I 1 ( jx1  r1 )   E 1  Z1 I 1


trong đó: Z = r + jx là tổng trở phức của dây quấn sơ cấp; còn Z1 I 1 là điện áp rơi trên
1

1

1

dây quấn sơ cấp.
*Phương trình cân bằng điện áp dây quấn thứ cấp


Mạch điện thứ cấp gồm sức điện động e , sức điện động tản dây quấn thứ cấp e ,
2

t2

điện trở dây quấn thứ cấp r , điện áp ở hai đầu của dây quấn thứ cấp là u . Áp dụng
2

2

định luật Kirchhoff 2 ta có phương trình điện áp thứ cấp viết dưới dạng trị số tức thời
là:
(1.16a)

u2  e2  et 2  r2i2

Biểu diễn dưới dạng số phức:








(1.16b)

U 2  E 2  E t 2  r2 I 2

Thay (1.13b) vào (1.16b), ta có:








(1.17)

U 2  E 2  jx2 I 2  r2 I 2










U 2  E 2  I 2 ( jx2  r2 )  E 2  Z 2 I 2

(1.18)


trong đó Z = r + jx là tổng trở phức của dây quấn thứ cấp ; còn Z 2 I 2 là điện áp rơi
2

2

2

trên dây quấn thứ cấp.
Mặt khác ta có:


(1.19)

U 2  Zt I 2

b.Phương trình cân bằng dòng điện
Định luật Ohm áp dụng vào mạch từ (hình 3.1) cho ta:
N i +N i =N i
1 1

2 2

1 0





(1.20)


Hay dạng số phức: N1 I 1  N 2 I 2  N1 I 0

(1.21)

Chia hai vế cho N và chuyển vế, ta có:
1







I 1  I 0  ( I 2

'
2



N2
)  I 0  ( I 2' )
N1

(1.22)



N
I2
trong đó: I 
là dòng điện thứ cấp qui đổi về phía sơ cấp, còn k  1 .
k
N2

Từ (1.22) ta thấy rằng: dòng điện sơ cấp gồm hai thành phần, thành phần dòng điện
không đổi dùng để tạo ra từ thông 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 dòng điện
tăng.

Tóm lại, mô hình toán của MBA như sau:








(1.23a)

U 1   E 1  Z1 I 1






(1.23b)

U 2  E2  Z2 I 2






I 1  I 0  ( I 2' )

(1.23c)

1.3.2. Mạch điện thay thế, đồ thị vecto của máy biến áp
Để đặc trưng và tính toán các quá 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

Hình 1.18. MBA không từ thông tản và tổn hao trong dây quấn

trở và điện kháng đặc trưng cho MBA gọi là mạch điện thay thế MBA.

Trên hình 1.18 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, các dây quấn
sơ cấp và thứ cấp phải có cùng một cấp điện áp. Trên thực tế, điện áp của các dây quấn
đó lại khác nhau. Vì vậy phải qui đổi một trong hai dây quấn về dây quấn kia để cho
chúng có cùng một cấp điện áp. Muốn vậy hai dây quấn phải có số vòng 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 toán 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.
Qui đổi các đại lượng thứ cấp về sơ cấp.
Nhân phương trình (1.23b) với k, ta có:




I2
I2
k U 2  k E 2  (k Z 2 )  (k 2 Z t )
k
k




Đặt:



2

(1.24)



E2'  k E2

(1.25)






U 2'  k U 2

(1.26)




'
2

I
I  2
k

(1.27)

Z 2'  k 2 Z 2 ; r2'  k 2 r2 ; x 2'  k 2 x 2

(1.28)

Z t'  k 2 Z t ; rt'  k 2 rt ; xt'  k 2 xt

(1.29)

Phương trình viết lại thành:








U 2'  E2'  Z 2' I 2'  Z t' I 2'




(1.30)



Trong đó: E2' , U 2' , I 2' , Z 2' , Z t' tương ứng là sđđ, điện áp, dòng điện, tổng trở dây
quấn và tổng trở tải thứ cấp qui đổi về sơ cấp.
Tóm lại mô hình toán MBA sau khi qui đổi là:






(1.30a)

U 1   E 1  Z1 I 1








U 2'  E2'  Z 2' I 2'  Z t' I 2'




(1.30b)



I 1  I 0  ( I 2' )

(1.30c)

a. Mạch điện thay thế chính xác của MBA.
Dựa vào hệ phương trình qui đổi (1.30a,b,c) ta suy ra một mạch điện tương ứng
gọi là mạch điện thay thế của MBA như trình bày trên hình 1.18.

Hình 1.19. Mạch điện thay thế của MBA một pha hai dây quấn


Xét phương trình (1.30a), vế phải phương trình có Z1 I 1 là điện áp rơi trên tổng trở


dây quấn sơ cấp Z1 và  E 1 là điện áp rơi trên tổng trở Z m , đặc trưng cho từ thông
chính và tổn hao sắt từ. Từ thông chính do dòng điện không tải sinh ra, do đó ta có thể
viết:






 E 1  (rm  jxm ) I 0  Z m I 0

(1.31)


trong đó:

Z = r + jx là tổng trở từ hóa đặc trưng cho mạch từ.
m

m

m

r là điện trở từ hóa đặc trưng cho tổn hao sắt từ.
m

p FE  rm I 02

(1.32)

x là điện kháng từ hóa đặc trưng cho từ thông chính Φ.
m

b. Mạch điện thay thế gần đúng của MBA.
Trên thực tế thường tổng trở nhánh từ hóa rất lớn (Z >> Z và Z’ ), do đó trong
m

1

2

nhiều trường hợp có thể bỏ qua nhánh từ hóa (Z = ∞ coi như hở mạch) và thành lập
m

lại sơ đồ thay thế gần đúng trình bày trên hình 1.19a.
Khi bỏ qua tổng trở nhánh từ hóa, ta có:
Z = Z + Z’ = r + jx (1.33)
n

1

2

n

n

Trong đó Z = r + jx là tổng trở ngắn mạch của MBA; r = r + r’ là điện trở ngắn
n

n

n

n

1

2

mạch của MBA; x = x + x’ là điện kháng ngắn mạch của MBA.
n

1

2

Hình 1.20. Mạch điện tương đương gần đúng của MBA một pha hai dây quấn

Trong MBA thường r << x , nên có thể bỏ qua điện trở ngắn mạch (r = 0). Trong
n

n

n

trường hợp này mạch điện thay thế MBA trình bày trên hình 1.19b.

c. Đồ thị vectơ của máy biến áp
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  , U , I ... 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.
Hình 1.21a 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  m theo chiều dương trục hoành.




+ Vẽ vectơ dòng điện không tải I 0 ,vượt trước  m góc α (vì mạch từ có tính cảm)






o



+ Vẽ các vectơ sđđ E 1 và E2' do  m sinh ra, chậm sau nó một góc 90 (vì ta lấy
đạo hàm của từ thông để được sđđ)


+ Do tải có tính điện cảm nên dòng điện I 2' chậm sau một góc ψ .
2

 2  arctg

x2'  xt'
r2'  rt'

(1.34)


+ Theo phương trình (1.30c), ta vẽ vectơ dòng điện I 1 bằng vectơ dòng điện




I 0 cộng với vectơ dòng điện ( I 2' ) .

+ Vẽ các vectơ khác dựa vào các phương trình cân bằng (1.30a,b).

Hình 1.21b. Đồ thị vector của máy biến áp,
tải tính dung

Hình 1.21a. Đồ thị vector của máy biến áp,
tải tính cảm

Đồ thị vectơ MBA khi phụ tải có tính dung




vẽ tương tự, nhưng dòng điện I 2' vượt trước E2'
một góc  2 (hình 1.21b).
Đồ thị vectơ đơn giản MBA
Trong sơ đồ thay thế gần đúng (hình 1.20a),






ta cho là dòng điện I 0  0 , nên: I 1   I 2' .
Phương trình cân bằng điện áp:






U 1   U 2'  I 1 Z n

(1.35)

Hình 1.22. Đồ thị vectơ đơn giản MBA

Ta vẽ được đồ thị vector tương ứng khi phụ tải có tính cảm như hình 1.21a.

1.3.3. Cách xác định tham số của máy biến áp.
1.Thí nghiệm không tải MBA.
Chế độ không tải MBA là chế độ mà thứ cấp hở mạch (I = 0), còn sơ cấp được
2

cung cấp bởi một điện áp U . Trên hình 1.23
1

Hình 1.23. a) Sơ đồ thay thế MBA khi không tải

Hình 1.23. b)Sơ đồ thí nghiệm không tải

là mạch điện thay thế máy biến áp khi không
tải.

Khi không tải (hình 1.22) dòng điện thứ cấp I = 0, ta có
2



phương trình là:


hoặc:





(1.36a)

U 1   E 1  Z1 I 0




(1.36b)

U 1  I 0 ( Z1  Z m )  I 0 Z 0

trong đó: Z = Z + Z = r + jx là tổng trở không của tải MBA;
0

1

m

o

o

r = r + r là điện trở không của tải MBA;
o

1

m

x = x + x là điện kháng không của tải MBA;
o

1

m

Để xác định hệ số biến áp k, tổn hao sắt từ trong lõi thép
p , và các thông số của MBA ở chế độ không tải, ta thí
Fe

nghiệm không tải. Sơ đồ nối dây để thí nghiệm không tải như
trên hình 1.23b. Đặt điện áp U = U
1

1đm

Hình 1.24 Đồ thị vectơ của
MBA không tải

vào dây quấn sơ cấp,

thứ cấp hở mạch, các dụng cụ đo cho ta các số liệu sau: oát kế W đo được P là công
0

suất không tải; Ampe kế đo I là dòng điện không tải; còn vôn kế nối phía sơ cấp và
0

thứ cấp lần lược đo U

1đm

và U là điện áp sơ cấp và thứ cấp.
20


Từ các số liệu đo được, ta tính:
a) Tỉ số biến áp k:
K

E1 U1đm

E2 U 20

(1.37)

b) Dòng điện không tải phần trăm
I0
.100
I1đm

i0 % 

(1.38)

c) Tổng trở nhánh từ hoá
+ Điện trở không tải:
P0
I 02

r0  r1  rm 

(1.39)

Điện trở từ hóa r >> r nên lấy gần đúng bằng:
m

1

r =r
0

(1.40)

m

+ Tổng trở không tải:
z0 

U1đm
I0

(1.41)

+ Điện kháng không tải:
x0  x1  xm  z02  r02

(1.42)

Điện kháng từ hóa x >> x nên lấy gần đúng bằng:
m

1

x =x
m

(1.43)

0

d) Tổn hao không tải
Từ mạch điện thay thế hình 1.23, ta thấy tổn hao không tải là tổn hao đồng trên dây
quấn sơ và tổn hao sắt trong lõi thép. Như vậy tổn hao không tải:
2

2

P =r I +r I ≈p
0

m o

1 0

Fe

(1. 44)

Do điện trở của dây quấn sơ và dòng điện không tải nhỏ nên ta bỏ qua tổn hao
đồng trên dây quấn sơ lúc không tải. Như vậy tổ hao không tải P thực tế có thể xem là
o

tổn hao sắt p do từ trễ và dòng điện xoáy trong lõi thép gây nên.
Fe

Vì điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp không đổi, nên từ thông Φ, cảm ứng từ B cũng
không đổi, nghĩa là tổn hao sắt, tức tổn hao không tải là không đổi.
e) Hệ số công suất không tải.


cos  0 

P0

(1.45)

U1đm I 0





Từ đồ thị vectơ MBA không tải ở hình (1.24), ta thấy góc lệch pha giữa U 1 và I 0 là
 0  900 , nghĩa là hệ số công suất lúc không tải rất thấp, thường cosϕ ≤ 0,1. Điều này
o

có ý nghĩa thực tế rất lớn là không nên để MBA làm việc không tải hoặc non tải, vì lúc
đó sẽ làm xấu hệ số công suất của lưới điện.

2. Thí nghiệm ngắn mạch MBA
Chế độ ngắn mạch MBA là chế độ mà phía thứ cấp bị nối tắt, sơ cấp đặt vào một
điện áp U . Trong vận hành, nhiều nguyên nhân làm máy biến áp bị ngắn mạch như
1

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.
Khi m.b.a ngắn mạch U = 0, mạch điện thay thế m.b.a vẽ trên hình 1.25. Dòng điện sơ
2

cấp là dòng điện ngắn mạch I .
n

Phương trình điện áp của MBA ngắn mạch:






(1.46)

U 1  I n (rn  jxn )  I n Z n

Hình 1.25.a) Mạch điện thay thế
m.b.a khi ngắn mạch

Hình 1.25 b) Sơ đồ thí nghiệm ngắn mạch

Từ phương trình (1.46), ta có dòng điện ngắn mạch khi U = U :

1

In 

hay

In 

U đm
Zn

đm

(1.47)

U đm
I đm
I 100
.100 
100  đm
I
Z n I đm
Un %
Z n . đm .100
100
I đm
U đm

(1.48)

Do tổng trở ngắn mạch rất nhỏ nên dòng điện ngắn mạch rất lớn khoảng bằng (10
÷ 25)I . Đây là trường hợp sự cố, rất nguy hiểm cho máy biến áp. Khi sử dụng MBA
đm

cần tránh tình trạng ngắn mạch này.
Tiến hành thí nghiệm NM như sau: 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 . Lúc đó các dụng cụ đo cho ta các số liệu sau: Vôn kế chỉ U là điện áp
n

n

ngắn mạch; oát kế chỉ P là tổn hao ngắn mạch; Ampe kế chỉ I
n

1đm

và I

2đm

là dòng điện

sơ cấp và thứ cấp định mức. Từ các số liệu đo được, ta tính:
a) Tổn hao ngắn mạch
Lúc thí nghiệm ngắn mạch, điện áp ngắn mạch U nhỏ (U = (4%-15%)U ) nên từ
n

n

đm

thông Φ nhỏ, có thể bỏ qua tổn hao sắt từ. Công suất đo được trong thí nghiệm ngắn
mạch P là:
n

2

2

P =rI =r I
n

n n

1

2

1đm

+r I
2

(1.49)

2đm

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.
b) Tổng trở, điện trở và điện kháng ngắn mạch.
+ Tổng trở ngắn mạch:
Zn 

Un
I1đm

(1.50)

+ Điện trở ngắn mạch:
rn  r1  r2' 

Pn
I12đm

(1.51)

+ Điện kháng ngắn mạch:
xn  x1  x2'  Z n2  rn2

(1.52)

Trong m.b.a thường r = r’ và x = x’ . Suy ra điện trở và điện kháng tản của dây
1

2

1

2

quấn sơ cấp:
rn 
2 

xn 
'
x1  x2  
2

r1  r2' 

(1.53)