LUẬN văn sư PHẠM vật lý tìm HIỂU CHUNG về máy BIẾN áp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN VẬT LÝ
......

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
TÌM HIỂU CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP

Sinh viên thực hiện:
NGUYỄN QUÍ TRỌNG HUYÊN
MSSV: 1090207
Lớp: SP LÝ - K35

Giáo viên hướng dẫn:
Thầy Th.s LÊ VĂN NHẠN

Cần Thơ 2013



Luận văn tốt nghiệp

Tìm hiểu chung về máy biến áp

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian nghiên cứu đề tài “Tìm hiểu
chung về máy biến áp”, em đã được sự hướng dẫn tận tình
của giáo viên hướng dẫn và thầy cô bộ môn Vật Lý đã giúp em
hoàn thành tốt đề tài của mình.
Em xin chân thành cảm ơn thầy LÊ VĂN NHẠN đã
nhiệt tình hướng dẫn, động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện

thuận lợi để em hoàn thành tốt luận văn này.
Xin gởi đến các thầy lời biết ơn sâu sắc vì đã đọc tài
liệu và góp ý vào luận văn này để em khắc phục những sai sót.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô và
các bạn lớp sư phạm Vật Lý K35 đã đóng góp ý kiến cho em
hoàn thành tốt đề tài của mình.

GVHD:LÊ VĂN NHẠN

Trang 1

SVTH:NGUYỄN QUÍ TRỌNG HUYÊN


Luận văn tốt nghiệp

Tìm hiểu chung về máy biến áp

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN .... …………………………………………………………………1
MỤC LỤC ………………………………………………………………………..2
PHẦN MỞ ĐẦU……………………………………………...…………………4
PHẦN NỘI DUNG .... …………………………………………………………....6
Chương 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN………….…………………...6
1.1. Định nghĩa và phân loại máy điện..... ………...…………..…...………………6
1.1.1. Định nghĩa………….... …………………………………………………….6
1.1.2. Phân loại máy điện. ………….……………………………………………..6
1.2. Các định luật cảm ứng điện từ cơ bản dùng trong máy điện….... … …….…8
1.2.1. Định luật cảm ứng điện từ.......……………………………………..………..8

1.2.2. Định luật lực điện từ...........................................................................................9
1.3. Nguyên lý làm việc của máy phát điện và động cơ điện.……………….…....10
1.3.1. Nguyên lý làm việc của máy phát điện............................................................10
1.3.2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện..............................................................11
1.4. Định luật mạch từ……………............................................................................12
1.5. Các vật liệu chế tạo máy điện………………………………..……....………14
1.5.1. Vật liệu dẫn điện.........................................................................................14
1.5.2. Vật liệu dẫn từ.............................................................................................15
1.5.3. Vật liệu cách điện………………..……………………………………….15
1.5.4. Vật liệu kết cấu……...……………………………………………………16
1.6.Phát nóng và làm mát máy điện…………………………………………….....17
Chương 2: NGUYÊN LÝ VÀ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP………………………18
2.1. Khái niệm chung về máy biến áp ..... ……………………………………...…18
2.1.1. Vai trò và công dụng .... ……………………………………………………18
2.1.2. Định nghĩa ..... ……………………………………………………………..19
2.2. Nguyên lý làm việc của máy biến áp lý tưởng..... …………………………....19
2.3. Cấu tạo máy biến áp...... ……………………………………………………...21
2.3.1. Lõi máy biến áp..................................................................................................21
2.3.2. Dây quấn máy biến áp... …………………………………………………...21
2.3.3. Vỏ máy biến áp..................................................................................................22
2.4. Các đại lượng định mức của máy biến áp ...........................................................23
2.5. Các loại máy biến áp chính. ................................................................................23
GVHD:LÊ VĂN NHẠN

Trang 2

SVTH:NGUYỄN QUÍ TRỌNG HUYÊN


Luận văn tốt nghiệp

Tìm hiểu chung về máy biến áp

Chương 3: MÁY BIẾN ÁP BA PHA……………………...……………………..24
3.1. Khái niệm chung...................................................................................................24
3.2. Ti số máy biến áp .................................................................................................24
3. 3. Tổ nối dây của máy biến áp………………………………………………….24
3.3.1. Cách ký hiệu các đầu dây...................................................................................25
3.3.2. Các kiểu đấu dây quấn.......................................................................................25
3.3.3. Tổ nối dây của máy biến áp bap ha……………………..................................26
3.4. MẠCH TỪ MÁY BIẾN ÁP………………………………………………….28
3.4.1. Các dạng mạch từ máy biến áp………………………………………..……28
3.4.2.Những hiện tượng xuất hiện khi từ hóa loi thép máy biến áp………………..29
Chương 3: QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MÁY BIẾN ÁP ……………………..33
4.1. Các phương trình cân bằng của máy biến áp ………………………………...33
4.1.1. Phương trình cân bằng điện áp (suất điện động) .............................................33
4.1.2. Phương trình cân bằng suất từ động ................................................................34
4.2. Đồ thị vectơ của máy biến áp.............................................................................34
4.2.1.Khi máy biến áp không tải………………………………………………….35
4.2.2.Khi máy biến áp mang tải…………………………………………………..35
Chương 5: HIỆU SUẤT VÀ LÀM VIỆC SONG SONG CỦA MÁY BIẾN ÁP.36
5.1. Hiệu suất của máy biến áp .................................................................................36
5.2. Máy biến áp làm việc song song .......................................................................37
5.2.1.Cùng tổ nối dây…………………………………………………………….37
5.2.2.Cùng tỉ số máy biến áp……………………………………………………..38
Chương 6: QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ TRONG MÁY BIẾN ÁP ...............................40
6.1. Khái niệm chung ...............................................................................................40
6.2. Quá dòng điện....................................................................................................40
6.3. Quá điện áp trong máy biến áp .........................................................................41
Chương 7: MÁY BIẾN ÁP ĐẶC BIỆT…………………………………………42

7.1. Máy biến áp hàn…. ...........................................................................................42
7.2. Máy biến áp tự ngẫu ..........................................................................................43
7.3. Máy biến điện áp................................................................................................43
7.4. Máy biến dòng điện ...........................................................................................44
CHƯƠNG 8: CÁCH TÍNH TOÁN QUẤN DÂY MÁY BIẾN ÁP CÔNG SUẤT
NHỎ……………………………………………………………………………..45
8.1.Yêu cầu thực hiện……………………………………………………..……..45
8.2. Mục đích thực hiện………………………………………………………….45
GVHD:LÊ VĂN NHẠN

Trang 3

SVTH:NGUYỄN QUÍ TRỌNG HUYÊN


Luận văn tốt nghiệp

Tìm hiểu chung về máy biến áp

8.3. Nội dung thực hiện…………………………………………………………..45
8.4.Ví dụ quấn máy biến áp………………………………………………………49
PHẦN KẾT LUẬN…………………………………………………………...….50

GVHD:LÊ VĂN NHẠN

Trang 4

SVTH:NGUYỄN QUÍ TRỌNG HUYÊN

Luận văn tốt nghiệp

Tìm hiểu chung về máy biến áp

PHẦN MỞ ĐẦU

1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
1.1. Hoàn cảnh thực tế
Ngày nay với sự phát triển như vũ bão của khoa học và kỹ thuật, con người
đã làm được rất nhiều điều mà trước đây những điều đó chỉ nằm trong trí tưởng
tượng. Thật vậy, nếu như ngày xưa người ta phải mất hàng tháng, hàng năm để
di chuyển từ vùng này sang vùng khác, để di chuyển từ Quốc gia này sang Quốc
gia khác, thì ngày nay không mất quá nhiều thời gian để thực hiện được điều đó
bằng các loại phương tiện giao thông hiện đại như: ô tô, máy bay, tàu thủy, xe
điện ngầm…Những loại máy móc thiết bị trên ngày càng được ứng dụng rộng
rãi, phổ biến và gắn liền với cuộc sống của chúng ta. Sự phát triển của khoa học
kỹ thuật,kinh tế, công nghiệp, nông nghiệp, đời sống gắn liền với việc tiêu thụ
năng lượng, trong đó điện năng chiếm một tỉ trọng rất lơn. Hơn 90% năng lượng
điện được sử dụng trong đời sống là năng lượng điện xoay chiều. Trong nhà máy
điện và trạm biến áp nguồn điện một chiều đóng vai trò rất quan trọng. Vì điện
năng đã trở thành nguồn năng lượng của tất cả các ngành kinh tế quốc dân và
sinh hoạt hằng ngày của con người, do đó nảy sinh ra yêu cầu cung cấp điện cho
các xí nghiệp, nông thôn, thành phố... Kỹ thuật đưa điện năng đi xa bằng đường
dây siêu cao áp ngày càng được hoàn chỉnh và phát triển, thì việc xây dựng các
nhà máy phát điện không bị hạn chế bởi vị trí của xí nghiệp công nghiệp, thành
phố lớn, mà các nhà máy điện được xây dựng tập trung, có công suất lớn tại
những nơi có nguồn nhiên liệu (than,dầu,khí,nước). Do đó hình thành hệ thống
điện, và việc cung cấp điện cho các khu công nghiệp, cho thành phố, nông thôn
được đảm bảo hơn, kinh tế hơn, nhưng cũng trở nên phức tạp hơn.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài được thực hiện với mong muốn trình bày những kiến thức cơ bản về
cấu tạo nguyên lý hoạt động và những ứng dụng của máy biến áp.
1.3. Các giả thuyết của đề tài
Nội dung của đề tài là tìm hiểu máy biến áp nhưng tìm hiểu điều đó trước
tiên phải nghiên cứu về máy điện.
2. CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
 Thu thập tài liệu ở thư viện trường, thư viện khoa, nhà sách.
 Tham khảo ý kiến của thầy hướng dẫn, thầy cô trong bộ môn.
 Tham khảo tài liệu có liên quan, chọn lọc ý hay, sát với nội dung đề tài.

GVHD:LÊ VĂN NHẠN

Trang 5

SVTH:NGUYỄN QUÍ TRỌNG HUYÊN


Luận văn tốt nghiệp

Tìm hiểu chung về máy biến áp

3. CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH
 Nhận đề tài.
 Sưu tầm tài liệu, tham khảo ý kiến của thầy hướng dẫn.
 Tiến hành nghiên cứu chọn lọc, sắp xếp nội dung đề tài.
 Lập đề cương cụ thể.
 Trao đổi nội dung với giáo viên hướng dẫn.
 Tập hợp ý kiến của giáo viên hướng dẫn, tài liệu tham khảo, viết đề tài,
đánh máy, nộp bản thảo, chỉnh sửa.
 Nộp đề tài cho giáo viên phản biện, tham khảo ý kiến, chỉnh sửa.

 Viết báo cáo, tóm tắt đề tài, tập báo cáo thử.
 Nộp đề tài cho hội đồng bảo vệ.
 Bảo vệ đề tài.

GVHD:LÊ VĂN NHẠN

Trang 6

SVTH:NGUYỄN QUÍ TRỌNG HUYÊN


Luận văn tốt nghiệp

Tìm hiểu chung về máy biến áp

PHẦN NỘI DUNG

CHƯƠNG MỘT
KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN
1.1. ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN
1.1.1. Định nghĩa
Máy điện là thiết bị điện từ , nguyên lý làm việc dựa trên hiện tượng cảm
ứng điện từ. Về cấu tạo gồm mạch từ (lõi thép), mạch điện (dây quấn). Ứng dụng
dùng để biến đổi các dạng năng lượng như cơ năng thành điện năng và ngược lại.
Ngoài ra dùng để biến đổi điện áp, dòng điện, tần số, số pha …
1.1.2. Phân loại
Có nhiều cách phân loại (theo công suất, cấu tạo, chức năng, dòng điện,
nguyên lý làm việc …). Nhưng tổng quát và cơ bản nhất đó là dựa vào nguyên lý
biến đổi năng lượng thì máy điện được chia làm các loại sau:


Máy điện tĩnh



Máy điện quay
a

Máy điện tĩnh

Đặc trưng cho máy điện tĩnh đó là máy biến áp. Máy điện tĩnh nhìn chung
dùng để biến đổi thông số điện năng, do tính chất thuận nghịch của các quy luật
cảm ứng điện từ, sự biến thiên từ thông giữa các cuộn dây không có chuyển động
tương đối với nhau.
Ví dụ: Máy biến áp biến đổi các thông số U1, I1, f thành U2, I2, f hoặc ngược lại.

U1; I1 ; f

Máy biến áp

U2; I2; f

Hình 1.1:Sơ đồ biểu diễn tính thuận nghịch của máy biến áp và kí hiệu của nó
trên sơ đồ điện

GVHD:LÊ VĂN NHẠN

Trang 7

SVTH:NGUYỄN QUÍ TRỌNG HUYÊN

Luận văn tốt nghiệp

Tìm hiểu chung về máy biến áp

b Máy điện quay
-Nguyên lý làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, lực điện từ, do từ
trường và dòng điện của các cuộn dây có chuyển động tương đối với nhau gây
ra. Thường gặp trong thực tế là động cơ hoặc máy phát.

Pđiện

Pcơ

Máy điện
Hình 1.2: Sơ đồ biến đổi thuận nghịch của máy điện

Máy điện

Máy điện tĩnh

Máy điện quay

Máy điện xoay chiều

Máy điện không
đồng bộ

Máy

biến
áp

Động
cơ
không
đồng
bộ

Máy điện một chiều

Máy điện
đồng bộ

Máy
phát
không
đồng
bộ

Động
cơ
đồng
bộ

Máy
phát
đồng
bộ

Động
cơ
một
chiều

Máy
phát
một
chiều

Hình 1.3: Sơ đồ phân loại các máy điện thường gặp

GVHD:LÊ VĂN NHẠN

Trang 8

SVTH:NGUYỄN QUÍ TRỌNG HUYÊN


Luận văn tốt nghiệp

Tìm hiểu chung về máy biến áp

1.2. CÁC ĐỊNH LUẬT CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ CƠ BẢN DÙNG
TRONG MÁY ĐIỆN
1.2.1. Định luật cảm ứng điện từ
a. Trường hợp từ thông biến thiên xuyên qua vòng dây
Khi từ thông Φ = Φ(t) xuyên qua vòng dây biến thiên trong vòng dây sẽ
cảm ứng sức điện động e(t). Suất điện động đó có chiều sao cho dòng điện do nó
sinh ra tạo ra từ thông chống lại sự biến thiên của từ thông sinh ra nó (hình 1.4).

Hình 1.4: Chiều dương suất điện động cảm ứng phù hợp với từ thông theo qui
tắc vặn nút chai
Suất điện động cảm ứng trong một vòng dây được tính theo công thức Măcxoen:
e= 

d
dt

(1.1)

Nếu cuộn dây có N vòng, suất điện động cảm ứng là:
e = N

d
d

dt
dt

(1.2)

Trong đó,   N (Wb) gọi là từ thông móc vòng của cuộn dây.
Đơn vị của từ thông là Webe (Wb), đơn vị của suất điện động là Vôn (V).
b. Trường hợp thanh dẫn chuyển động thẳng góc trong từ trường
Khi thanh dẫn chuyển động thẳng góc với đường sức từ trường (đó là
trường hợp thường gặp nhất trong máy phát điện), trong thanh dẫn cảm ứng suất
điện động có trị số là :
e = Blv
GVHD:LÊ VĂN NHẠN

Trang 9

(1.3)
SVTH:NGUYỄN QUÍ TRỌNG HUYÊN


Luận văn tốt nghiệp

Tìm hiểu chung về máy biến áp

trong đó : B: độ lớn của vectơ cảm ứng từ đo bằng Tesla (T)
l : chiều dài tác dụng của thanh dẫn (m)
v: vận tốc dài của thanh dẫn (m/s)
Còn chiều suất điện động cảm ứng xác định theo qui tắc bàn tay phải

Hình 1.5: Sơ đồ biểu diễn chiều của suất điện động
1.2.2. Định luật lực điện từ
Khi thanh dẫn mang dòng điện đặt thẳng góc với đường sức từ trường,
thanh dẫn sẽ chịu một lực điện từ tác dụng có trị số là:
Fđt = B.l.i

(1.4)

Trong đó:
B: độ lớn của vectơ cảm ứng từ đo bằng Tesla (T)
l: chiều dài hiệu dụng của thanh dẫn đo bằng mét (m).
i: dòng điện chạy trong thanh dẫn đo bằng Ampe (A).
Fđt : lực điện từ đo bằng Newton (N)
Chiều của lực điện từ xác định theo quy tắc bàn tay trái

GVHD:LÊ VĂN NHẠN

Trang 10

SVTH:NGUYỄN QUÍ TRỌNG HUYÊN


Luận văn tốt nghiệp

Tìm hiểu chung về máy biến áp

Hình 1.6 Sơ đồ biểu diễn chiều của lực điện từ
1.3. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN VÀ ĐỘNG CƠ
ĐIỆN.
Máy điện có tính thuận nghịch, nghĩa là nó có thể làm việc ở chế độ máy
phát điện hoặc động cơ điện.
1.3.1. Nguyên lý làm việc của máy phát điện
Dùng động cơ sơ cấp tác dụng vào thanh dẫn một lực cơ học Fcơ , thanh dẫn
sẽ chuyển động với vận tốc v trong từ trường của nam châm N – S , trong thanh
dẫn sẽ cảm ứng suất điện động cảm ứng e. Nếu hai đầu thanh dẫn được nối với
tải (R), sẽ có dòng điện i chạy qua thanh dẫn và tải. Nếu bỏ qua điện trở của
thanh dẫn và nối, điện áp đặt vào tải là:
u=e
Công suất máy phát cung cấp cho tải là:
P = ui = ei

( 1.5)

Dòng điện i nằm trong từ trường của nam châm N – S lại chịu tác dụng của lực

điện từ (Fđt):
Fđt = Bli

(1.6)

Và có chiều như hình vẽ:

GVHD:LÊ VĂN NHẠN

Trang 11

SVTH:NGUYỄN QUÍ TRỌNG HUYÊN


Luận văn tốt nghiệp

Tìm hiểu chung về máy biến áp

Hình 1.7: Sơ đồ biểu diễn chiều của dòng điện trong từ trường của nam châm N
-S
Khi lực điện từ cân bằng lực cơ của động cơ sơ cấp, tức Fcơ = Fđt , máy sẽ quay
đều.
Nhân hai vế của biểu thức trên với tốc độ v ta có:
Fcơ v = Fđt v = B.l.i.v = e.i

(1.7)

Điều này có nghĩa là công suất của động cơ sơ cấp Pcơ = Fcơv đã được biến đổi
thành công suất điện Pđiện = e.i , tức là cơ năng đã được biến thành điện năng ở
máy phát điện.

1.3.2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện.
Nếu đặt một điện áp U từ nguồn điện bên ngoài vào một thanh dẫn trong từ
trường của nam châm N – S.
Trong thanh dẫn sẽ có dòng điện i chạy qua theo định luật lực điện từ, thanh dẫn
sẽ chịu tác dụng của lực điện từ:
Fđt = Bli
Và chuyển động với vận tốc v có chiều như hình vẽ:

GVHD:LÊ VĂN NHẠN

Trang 12

SVTH:NGUYỄN QUÍ TRỌNG HUYÊN


Luận văn tốt nghiệp

Tìm hiểu chung về máy biến áp

Hình 1.8: Sơ đồ biểu diễn chiều của dòng điện trong thanh dẫn
Công suất điện đưa vào động cơ là:
Pđ = ui = ei = Blvi = Fđtv

(1.8)

Nghĩa là, công suất điện Pđ = u.i đưa vào động cơ đã được biến thành công suất
cơ Pcơ = Fđtv trên trục động cơ, tức điện năng đã biến thành cơ năng trong động
cơ điện.
1.4. ĐỊNH LUẬT MẠCH TỪ
Trong các máy điện, lõi thép là mạch từ của máy. Mạch từ là mạch khép kín

dùng để dẫn từ thông. Định luật mạch từ là định luật dòng điện toàn phần áp
dụng vào mạch từ. Nội dung của định luật dòng điện toàn phần như sau:

Hình 1.9.1 . Minh
họa định luật dòng
điện toàn phần

GVHD:LÊ VĂN NHẠN

Hình1.9.2 .
Mạch từ đồng
nhất có một
cuộn dây

Trang 13

Hình1.9.3. Mạch
từ có khe hở không
khí và hai cuộn
dây

SVTH:NGUYỄN QUÍ TRỌNG HUYÊN


Luận văn tốt nghiệp

Tìm hiểu chung về máy biến áp



Nếu H là vectơ cường độ từ trường do một tập hợp dòng điện i1, i2, … ik, …, in. tạo
ra và nếu L là một đường cong kín bao quanh chúng thì:

(1.9)


Với d l là độ dời vi phân trên (L) .Dấu của ik xác định theo qui tắc vặn nút chai:


quay cái vặn nút chai theo chiều d l , chiều tiến của vặn nút chai trùng với chiều
dòng điện ik thì dòng điện ik mang dấu dương, còn ngược lại lấy dấu âm.
Định luật dòng điện toàn phần áp dụng vào mạch từ đồng chất có một cuộn dây
như hình 1.9.1 ta có như sau:
H.l=Ni=F
Với:

(1.10)

B 1 l
  R 
Hl= l 
 S
H l = R  =Ni=F

Vậy
Trong đó:

H (A/m): Cường độ từ trường trong mạch từ
B=µH (T): Tự cảm (mật độ từ thông) trong mạch từ.
µ=µr. µo (H/m): Độ từ thẩm tuyệt đối của mạch từ.

µo=4.10-7 (H/m): độ từ thẩm của không khí.
µr= µ/ µo: 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 dòng điện từ hóa, tạo ra từ thông cho mạch từ.
F= Ni (A): gọi là sức từ động (stđ)
H. l : gọi là từ áp rơi trong mạch từ.
Rµ=

1 l
(A/Wb) từ trở của mạch từ.
S

S (m2): tiết diện ngang của mạch từ
GVHD:LÊ VĂN NHẠN

Trang 14

SVTH:NGUYỄN QUÍ TRỌNG HUYÊN


Luận văn tốt nghiệp

Tìm hiểu chung về máy biến áp

Cũng áp dụng định luật dòng điện toàn phần vào mạch từ gồm hai đoạn có chiều
dài l1 và l2 tiết diện S1 và S2, hình 1.9.3,ta có:
H1. l 1 – H 2. l 2=N1i1 – N2.i2

(1.11)

Trong đó:
H1, H2 (A/m): cường độ từ trường tương ứng trong đoạn mạch từ 1, 2.
l 1, l 2 (m): chiều dài trung bình của đoạn mạch 1, 2.

N1.i1 , N2. i2 (A): suất từ động của cuộn dây 1, 2.
Một cách tổng quát, mạch từ gồm m đoạn ghép nối tiếp định luật mạch từ được
viết:
m

m

m

m

H l  R  N i  F  F
j

j j

j1

j1

k k

k1

k

k1

(1.12)

Trong đó, dòng điện ik nào có chiều phù hợp với chiều từ thông  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 dòng điện.
1.5. CÁC VẬT LIỆU CHẾ TẠO MÁY ĐIỆN
Vật liệu chế tạo máy điện gồm vật liệu cấu trúc, vật liệu tác dụng và vật liệu
cách điện, vật liệu kết cấu. 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. Vật liệu cách điện dùng để cách
điện giữa phần dẫn điện với không dẫn điện và giữa các phần dẫn điện với nhau.
Còn vật liệu kết cấu là vật liệu để chế tạo các chi tiết chịu các tác động cơ học.
1.5.1. Vật liệu dẫn điện
Vật liệu dẫn điện để chế tạo máy điện tốt nhất là đồng vì chúng không đắt
lắm và có điện trở suất nhỏ. Ngoài ra còn dùng nhôm và các hợp kim khác như
đồng thau, đồng photpho. Dây đồng hoặc dây nhôm được chế tạo theo tiết diện
tròn hoặc tiết diện chữ nhật có bọc cách điện, điện áp dưới 1000V thường dùng
dây dẫn bọc êmay vì lớp cách điện của nó mỏng và đạt độ bền yêu cầu.

GVHD:LÊ VĂN NHẠN

Trang 15

SVTH:NGUYỄN QUÍ TRỌNG HUYÊN

Luận văn tốt nghiệp

Tìm hiểu chung về máy biến áp

1.5.2. Vật liệu dẫn từ
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 thông 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% silic để tăng
từ trở của thép, giảm dòng điện xoáy. 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 1.10 trình bày đường cong từ hóa của một số
vật liệu dẫn từ khác nhau. Cùng một dòng điện kích từ, ta thấy thép kĩ thuật điện
có từ cảm lớn nhất, sau đó là thép đúc và cuối cùng là gang.
Ở các phần dẫn từ có từ thông thay đổi thường dùng thép đúc, thép rèn hoặc lá
thép.

Hình 1.10 Đường cong từ hóa của một số vật liệu
1.5.3. Vật liệu cách điện
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 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.
GVHD:LÊ VĂN NHẠN

Trang 16

SVTH:NGUYỄN QUÍ TRỌNG HUYÊN


Luận văn tốt nghiệp

Tìm hiểu chung về máy biến áp

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.
Căn cứ độ bền nhiệt, vật liệu cách điện được chia ra các cấp như sau:
- Cấp Y: Nhiệt độ cho phép là 900C, 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 1500C, 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 1200C, 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 liên kết bằng sơn hoặc nhựa gốc hữu cơ có thể
chịu được nhiệt độ tương ứng.
- Cấp F: Nhiệt độ cho phép là 1550C, giống như 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 1800C, giống như 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 >1800C, bao gồm các vật liệu gốc mica, thủy
tinh và các hợp chất của chúng dùng trực tiếp không có chất liên kết. Các

chất vô cơ có phụ gia liên kết bằng hữu cơ và các chất tổng hợp có khả năng
chịu được nhiệt độ tương ứng.
Ngoài ra còn có chất cách điện ở thể khí (không 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 8-100C
thì tuổi thọ của vật liệu cách điện giảm đi một nửa.
1.5.4. Vật liệu kết cấu
Vật liệu kết cấu là vật liệu để chế tạo các chi tiết chịu các tác động cơ học
như trục, ổ trục, vỏ máy, nắp máy. Trong máy điện, các vật liệu kết cấu thường
là gang, thép lá, thép rèn, kim loại màu và hợp kim của chúng, các chất dẻo.

GVHD:LÊ VĂN NHẠN

Trang 17

SVTH:NGUYỄN QUÍ TRỌNG HUYÊN


Luận văn tốt nghiệp

Tìm hiểu chung về máy biến áp

1.6. PHÁT NÓNG VÀ LÀM MÁT MÁY ĐIỆN
Trong quá trình biến đổi năng lượng luôn có sự tổn hao. Tổn hao trong
máy điện gồm tổn hao sắt từ (do hiện tượng từ trễ và dòng xoáy) 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 sự đối lưu không khí xung quanh hoặc của

môi 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 toán và lựa chọn để
cho độ tăng nhiệt của vật liệu cách điện trong máy không vượt quá độ tăng nhiệt
cho phép, đảm bảo cho vật liệu cách điện làm việc lâu dài, tuổi thọ của máy
khoảng 20 năm.
Khi máy điện làm việc ở chế độ định mức, độ tăng nhiệt của các phần tử không
được 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 không cho phép máy làm việc quá tải lâu dài.

GVHD:LÊ VĂN NHẠN

Trang 18

SVTH:NGUYỄN QUÍ TRỌNG HUYÊN


Luận văn tốt nghiệp

Tìm hiểu chung về máy biến áp

CHƯƠNG HAI
NGUYÊN LÝ VÀ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP
2.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP:
2.1.1 Vai trò và công dụng:
_ Truyền tải điện năng là quá trình truyền tải điện năng từ các trung tâm
sản xuất điện (các nhà máy phát điện: thủy điện, nhiệt điện, điện nguyên
tử,….)đến nơi tiêu thụ. Để dẫn điện từ nhà máy phát điện đến hộ tiêu thụ
cần phải có đường dây tải điện (hình 2.1). 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.

Hình 2.1 sơ đồ cung cấp điện
Ta có, dòng điện truyền tải trên đường dây:
I = P/(Ucos  )
Và tổn hao công suất trên đường dây là:
P  Rd I 2  Rd P 2 /(U 2 cos 2  )

GVHD:LÊ VĂN NHẠN

Trang 19

SVTH:NGUYỄN QUÍ TRỌNG HUYÊN


Luận văn tốt nghiệp

Tìm hiểu chung về máy biến áp

-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 cos  là hệ số công suất
của lưới điện, còn  là gốc 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, 500 kV. Trên thực tế các máy
điện chỉ phát ra điện áp từ 3  21 kV, do đó phải có thiết bị tăng điện áp ở đầu
đường dây. Mặt khác các hộ tiêu thụ thường yêu cầu điện thế thấp,từ 0.4  6 kV,

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 áp ở cuối đường dây gọi là máy biến áp.
2.1.2 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
đổi.
2.2 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP LÝ TƯỞNG:
-Máy biến áp lý tưởng có các tính chất sau:
a. Cuộn dây không có điện trở.
b. 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.
c. Độ từ thẩm của lõi thép lớn (    ), như vậy dòng từ hóa cần
phải có để sinh ra từ thông trong lõi thép là rất nhỏ không đáng kể,
do vậy suất điện động cần để sinh ra từ thông trong lõi thép cho
bằng không.

Hình 2.2 Vẽ sơ đồ nguyên lý của máy biến áp một pha hai dây quấn.
GVHD:LÊ VĂN NHẠN

Trang 20

SVTH:NGUYỄN QUÍ TRỌNG HUYÊN


Luận văn tốt nghiệp

Tìm hiểu chung về máy biến áp

-Dây quấn một 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 cấp, trong dây quấn sơ cấp sẽ
có dòng điện i1. Trong lõi thép sẽ có từ thông  móc vòng với cả hai dây quấn sơ
cấp và thứ cấp, cảm ứng ra các suất điện động e1 và e2. Khi máy biến áp có tải,
trong dây quấn sơ cấp sẽ có dòng điện i2 đưa ra tải với điện áp là u2. Từ thông 
móc vòng với cả hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp gọi là từ thông chính.
-Giả sử điện áp u1 sin nên từ thông  cũng biến thiên sin, ta có:

   m sin  t

(2.1)

-Theo định luật cảm ứng điện từ, các suất điện động cảm ứng e1, e2 sinh ra
trong các dây quấn sơ cấp và thứ cấp máy biến áp là:
e1   N 1

d
 N 1 m sin(t  90 0 )  2 E1 sin(t  90 0 )
dt

(2.2)

e2   N 2

d
 N 2 m sin(t  90 0 )  2 E 2 sin(t  90 0 )
dt

(2.3)

-Trong đó, E1, E2 là trị số hiệu dụng của suất điện động sơ cấp và thứ cấp,
cho bởi:
E1 

E2 

N1 m
  2 fN 1 m  4,44 fN 1 m
2
N 2 m
2

  2 fN 2 m  4,44 fN 2 m

(2.4)

(2.5)

-Tỉ số biến áp k của máy biến áp:
k

E1 N 1

E2 N 2

(2.6)

-Nếu giả thiết máy biến áp đã cho là máy biến áp lý tưởng, nghĩa là bỏ qua
sự sụt áp gây ra do điện trở và từ thông tản của dây quấn
thì E1  U1 và

E2  U 2 :

GVHD:LÊ VĂN NHẠN

Trang 21

SVTH:NGUYỄN QUÍ TRỌNG HUYÊN


Luận văn tốt nghiệp

Tìm hiểu chung về máy biến áp

U 1 E1 N 1


k
U 2 E2 N 2

(2.7)

-Nếu bỏ qua tổn hao trong máy biến áp thì:
U1I1 = U2I2
Như vậy, ta có:
U 1 I1
 k

U2 I2

(2.8)

-Nếu N2 > N1 thì U2 > U1 và I2 < I1 : máy biến áp tăng áp
-Nếu N2 < N1 thì U2 < U1 và I2 > I1 : máy biến áp giảm áp
2.3 CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP:
-Máy biến áp có các bộ phận chính sau đây: lõi thép, dây quấn và vỏ máy.
2.3.1
Lõi máy biến áp.

Hình 2.3 Mạch từ máy biền áp kiễu lỏi: a) một pha. b)ba pha
-Lõi thép máy biến áp dùng để dẫn từ thông, được chế tạo từ 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 1.3). Trụ T là phần đế đặt dây quấn còn Gông G là
phần nối liền giữa các trụ để tạo thành mạch từ kín.
2.3.2

Dây quấn máy biến áp:

Hình 2.4 Dây quấn máy biến áp
GVHD:LÊ VĂN NHẠN

Trang 22

(c)

(d)

SVTH:NGUYỄN QUÍ TRỌNG HUYÊN


Luận văn tốt nghiệp

Tìm hiểu chung về máy biến áp

-Nhiệm vụ của dây quấn máy biến áp là nhận năng lượng vào và truyền
năng lượng ra. Dây quấn máy biến áp 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 máy biến áp có hai loại chính:
a. Dây quấn đồng tâm: Ở dây quấn đồng tâm có tiết diện ngang là
những vòng tròn đồng tâm. Những kiểu dây quấn đồng tâm chính
gồm: dây quấn hình trụ (hình 2.4 a,b),dùng cho cả dây quấn cao áp
và hạ áp; dây quấn hình xoắn (hinh 2.4 c,), dùng cho dây quấn hạ
áp có nhiều sợi chập; dây quấn hình xoáy ốc liên tục (hình 2.4 d),
dùng chi dây quấn cao áp, tiết diện dây dẫn hình chữ nhật.
b. Dây quấn xen kẽ: các bánh dây cao áp và hạ áp lần lượt xen kẽ
nhau dọc theo trụ thép.
2.3.3
Vỏ máy biến áp:
-Vỏ máy biến áp làm bằng thép gồm hai bộ phận: thùng và nắp thùng.
a. Thùng máy biến áp: trong thùng máy biến áp (hình 1-5) đặt lõi thép
,dây quấn và dầu biến áp. Dầu máy biến áp làm nhiệm vụ tăng
cường cách điện và giảm nhiệt. Lúc máy biến áp 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 máy biến áp sang dầu và từ
dầu qua vách thùng ra môi trường xung quanh.
b. Nắp thùng máy biến áp: 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) có ống thủy tinh để xem mức dầu.
+ Ống bảo hiểm: làm bằng thép, thường làm thành hình trụ
nghiêng, một đầu nối với thùng, một đầu bịt bằng một đĩa thủy
tinh. Nếu vì lý do nào đó, áp suất trong thùng tăng lên đột ngột, đĩa
thủy tinh sẽ vỡ, dầu theo đó thoát ra ngoài để máy biến áp không
bị hỏng.
+ Lỗ nhỏ đặt nhiệt kế.
+ Rơ le hơi dùng để bảo vệ máy biến áp.
GVHD:LÊ VĂN NHẠN

Trang 23

SVTH:NGUYỄN QUÍ TRỌNG HUYÊN