Giáo trình Máy điện – Trường Trung cấp Kinh tế Kỹ thuật Quận 12

Giáo trình Máy điện

Trường TC KTKT Q12

LỜI GIỚI THIỆU
Giáo trình Máy điện là tài liệu dùng để dạy cho học sinh, sinh viên chuyên ngành điện
dân dụng và công nghiệp. nhằm hình thành các kiến thức ứng dụng, kỹ năng thực hành
nghề và thái độ nghề nghiệp cơ bản ở trình độ trung cấp, cao đẳng trong phạm vi mơn học.
Ngồi ra, nó có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các kỹ thuật viên, học sinh, sinh viên,
công nhân trong các lĩnh vực nghề nghiệp có nội dung thực hành liên quan.
Nội dung giáo tình bao gồm các phần: Định luật điện từ, máy biến áp, quấn Động cơ
điện không đồng bộ, động cơ một chiều, được dùng phổng máy điện và dùng phần mềm mô
phổng như: LVSIM-EMS, LVDAM-EMS để lấy các thông số kỹ thuật cơ bản.
Tài liệu do các giáo viên bộ môn điện dân dụng và công nghiệp, khoa công nghệ điệnđiện lạnh, Trường Trung cấp Kinh Tế Kỹ Thuật Quận 12 thành phố Hồ Chí Minh biên soạn,
theo chương trình khung của sở Lao Động Thương Binh Xã Hội. Hy vọng giáo trình này sẽ
giúp cho các giáo viên và học sinh, sinh viên trong việc giảng dạy, học tập môn học đạt kết
quả tốt, với chất lượng và hiệu quả cao.
Với kinh nghiệm và trình độ cịn hạn chế, tác giả rất mong nhận được những ý kiến
đóng góp, chỉ bảo của các chuyên gia, giáo viên, giảng viên, và các bạn đọc quan tâm, để
bổ sung điều chỉnh cho giáo trình ln được cập nhật và hoàn thiện theo hướng cơ bản,
hiện đại phù hợp với điều kiện Việt Nam và nhu cầu xã hội.
Mọi ý kiến xin gửi về :
Khoa Công Nghệ điện – điện lạnh
Trường trung cấp kinh tế kỹ thuật Quận 12
Số 36HT11 – Phường Hiệp Thành – Quận 12
Chúng tôi xin chân thành cám ơn các đồng nghiệp trong khoa công nghệ điện – điện
lạnh, trường Trung cấp kinh tế Kỹ Thuật Quận 12 đã có những đóng góp q báu để cuốn
giáo trình được hồn thành.
TP.HỒ CHÍ MINH, ngày…..tháng…. năm 2017
Tham gia biên soạn
GV. Nguyễn Thành Công

Chủ biên

MỤC LỤC
.

.
Trang 1


Giáo trình Máy điện

Trường TC KTKT Q12

LỜI GIỚI THIỆU....................................................................................................................... 1
MỤC LỤC.................................................................................................................................. 2
BÀI MỞ ĐẦU: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN...........................................................6
1. Các định luật điện từ dùng trong máy điện.........................................................................6
2. Định nghĩa và phân loại máy điện.......................................................................................8
3. Nguyên lý máy phát điện và động cơ điện........................................................................10
4. Sơ lượt về các vật liệu chế tạo máy điện...........................................................................11
5. Phát nóng và làm mát máy điện........................................................................................13
BÀI 1: MÁY BIẾN ÁP............................................................................................................15
Mục tiêu:.................................................................................................................................. 15
1. Khái niệm chung...............................................................................................................15
2. Cấu tạo của máy biến áp...................................................................................................16
3. Các đại lượng định mức của máy biến áp.........................................................................18
4. Nguyên lí làm việc của máy biến áp.................................................................................19
5. Mơ hình tốn và sơ đồ thay thế của máy biến áp..............................................................21
6. Các chế độ làm việc của máy biến áp................................................................................25
7. Máy biến áp ba pha...........................................................................................................27

BÀI 2: MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ................................................................................38
1. Khái niệm chung về máy điện không đồng bộ..................................................................38
2. Cấu tạo của máy điện không đồng bộ ba pha....................................................................39
3. Cấu tạo của máy điện không đồng bộ ba pha....................................................................40
4. Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điện không đồng bộ.................................................43
5.Các đại lượng định mức của không đồng bộ 3 pha............................................................46
6. Quan hệ điện từ trong máy điện không đồng bộ...............................................................48
7. Mở máy động cơ không đồng bộ ba pha...........................................................................49
8. Các phương pháp hãm động cơ khơng đồng bộ bap ha rotor lồng sóc..............................52
9. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ:...............................................................55
.

.
Trang 2


Giáo trình Máy điện

Trường TC KTKT Q12

10. Các trạng thái hãm..........................................................................................................55
11. Tháo lắp, bảo dưỡng động cơ..........................................................................................60
BÀI 3: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ...............................................................................................74
1. Định nghĩa và công dụng..................................................................................................74
2. Cấu tạo của máy điện đồng bộ..........................................................................................74
3. Nguyên lí làm việc của máy phát điện đồng bộ.................................................................76
4. Phản ứng phần ứng trong máy phát điện đồng bộ.............................................................78
5. máy phát điện đồng bộ làm việc song song.......................................................................79
6. máy phát điện đồng bộ làm việc ở tải đối xứng................................................................81
7. động cơ và máy bù đồng bộ..............................................................................................83

BÀI 4: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU...........................................................................................87
1. Đại cương về máy điện một chiều.....................................................................................87
2. Cấu tạo của máy điện một chiều.......................................................................................87
3. Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điện một chiều.........................................................89
4. Dây quấn phần ứng máy điện một chiều...........................................................................89
5. Từ trường và sức điện động của máy điện một chiều........................................................96
6. Công suất điện từ và mô-men điện từ của máy điện một chiều.......................................100
7. Tia lửa điện trên cổ góp và biện pháp khắc phục.............................................................104
8. động cơ điện một chiều...................................................................................................106
9.Tia lửa điện trên cổ góp và biện pháp khắc phục.............................................................108
10. Máy phát điện một chiều...............................................................................................123
TÀI LIỆU CẦN THAM KHẢO.............................................................................................140

TÊN MÔN HỌC:

MÁY ĐIỆN

.

.
Trang 3


Giáo trình Máy điện

Trường TC KTKT Q12

Mã mơn học:

MH13

I. Vị trí, tính chất của mơn học:
- Vị trí: Những kiến thức lý thuyết cơ bản của học phần Máy Điện hỗ trợ đắc lực cho
các học phần lý thuyết chuyên ngành như: Trang Bị Điện cho nên môn học Máy Điện được
sắp xếp giảng dạy trước.
- Tính chất: Là mơn chuyên ngành thuộc các môn học đào tạo nghề bắt buộc.
II. Mục tiêu mơn học
- Về kiến thức:
 Trình bày được cấu tạo, nguyên lý, đặc tính và ứng dụng của các loại máy điện
thơng dụng.
 Tính tốn được các thông số điện cơ bản của các loại máy điện thông dụng.
- Về kỹ năng:
 Vẽ được sơ đồ khai triển dây quấn máy điện
 Tính tốn được các thơng số kỹ thuật trong máy điện.
- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:
 Chủ động lập kế hoạch, dự trù được vật tư, thiết bị.
 Phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo và tư duy khoa học trong công việc
III. Nội dung môn học:
1. Nội dung tổng quát và phân phối thời gian:
Thời gian (giờ)
Thực
Tên chương mục

Số TT

Tổng

Lý

số

thuyết

hành, thí
nghiệm,
thảo luận,

Kiểm
tra

bài tập
1

Bài mở đầu: Khái niệm chung về máy điện.

4

4

2

Máy biến áp.

21

20

3

Máy điện không đồng bộ.

20

20

4

Máy điện đồng bộ.

15

15

.

1

.
Trang 4


Giáo trình Máy điện
5

Trường TC KTKT Q12

Máy điện một chiều.
Cộng:

15

14

1

75

73

2

2. Nội dung chi tiết:

BÀI MỞ ĐẦU: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN
Mục tiêu:
- Phát biểu được các định luật điện từ trong máy điện
.

.
Trang 5


Giáo trình Máy điện

Trường TC KTKT Q12

- Phân tích được nguyên lý hoạt động của máy phát và động cơ điện
- Giải thích được q trình phát nóng và làm mát của máy
- Phát huy tính tích cực, chủ động, cẩn thận trong công việc
Nội dung:

1. Các định luật điện từ dùng trong máy điện.

Nguyên lý làm việc của tất cả các máy điện đều dựa trên cơ sở hai định luật cảm
ứng điện từ và lực điện từ. Khi tính tốn mạch điện từ người ta sử dụng định luật
dịng điện tồn phần.
1.1. Định luật cảm ứng điện từ.
1.1.1. Trường hợp từ thơng  biến thiên xun qua vịng dây.
Khi từ thơng  biến thiên xun qua vịng dây dẫn, trong vòng dây sẽ cảm ứng
sức điện động. Nếu chọn chiều sức điện động cảm ứng phù hợp với chiều của từ
thơng theo quy tắc vặn nút chai (hình K-4), sức điện động cảm ứng trong một vòng
dây, được viết theo cơng thức Mácxoen như sau:

(K-1)
Dấu  trên hình K.4 chỉ chiều đi từ ngoài vào trong giấy. Nếu cuộn dây có w vịng,
sức điện động cảm ứng của cuộn dây sẽ là:
(K.2)
Trong đó: = gọi là từ thơng móc vịng của cuộn dây.
Trong các cơng thức (K.1), (K.2) từ thông đo bằng Wb (vebe), sức điện động đo bằng
V.
2.1.2 Trường hợp thanh dẫn chuyển động trong từ trường.

.

.
Trang 6


Giáo trình Máy điện

Trường TC KTKT Q12

Khi thanh dẫn chuyển động thẳng vng góc với đường sức từ trường (đó là trường
hợp thường gặp trong máy phát điện), trong thanh dẫn sẽ cảm ứng sức điện động e, có trị số
là:
e = B.l.v(K.3).
Trong đó:
B - từ cảm đo bằng T(tesla).
l - chiều dài hiệu dụng của thanh dẫn (phần thanh dẫn nằm trong từ trường) đo bằng
m.
v- tốc độ thanh dẫn đo bằng m/s.
Chiều của sức điện động cảm ứng được xác định theo quy tắc bàn tay phải (hình K5).
2.1.3 Định luật lực điện từ:

Khi thanh dẫn mang dòng điện đặt thẳng góc với đường sức từ trường (đó là trường
hợp thường gặp trong động cơ điện), thanh dẫn sẽ chịu một lực điện từ tác dụng vng góc
có trị số là:
Fđt = B.i.l (K.4).
Trong đó:
.

.
Trang 7


Giáo trình Máy điện

Trường TC KTKT Q12

B- từ cảm đo bằng T.
i- dòng điện đo bằng A (ampe)

l- chiều dài hiệu dụng thanh dẫn đo bằng m (mét).
Fđt – lực điện từ đo bằng N (niutơn).
Chiều lực điện từ xác định theo quy tắc bàn tay trái (hình K-6).
2. Định nghĩa và phân loại máy điện.
1.1. Định nghĩa
Việc sử dụng tài ngun thiên nhiên sẽ khơng thể có được nếu khơng có sự biến đổi
năng lượng, từ dạng này sang dạng khác. Các máy thực hiện sự biến đổi cơ năng thành
điện năng hoặc biến đổi ngược lại được gọi là các máy điện.
Máy điện dùng để biến đổi cơ năng thành điện năng được gọi là “máy phát”. Máy điện
dùng để biến đổi ngược lại được gọi là “động cơ”. Các máy điện đều có tính thuận nghịch,
nghĩa là có thể biến đổi năng lượng theo cả hai chiều. Nếu đưa cơ năng vào phần quay của
máy điện, nó làm việc ở chế độ máy phát điện năng. Nếu đưa điện năng vào máy thì phần
quay của nó sẽ sinh ra công cơ học.
Máy điện là một hệ điện từ gồm các mạch từ và mạch điện liên quan với nhau. Mạch
từ gồm các bộ phận dẫn từ bằng vật liệu từ và khe khơng khí khơng từ tính tách biệt chúng
với nhau. Các mạch điện – dưới dạng hai hoặc vài dây quấn – có thể chuyển động tương
đối với nhau cùng với các phần dẫn từ mang chúng.
Sự biến đổi năng lượng cơ – điện trong các máy điện dựa trên các hiện tượng cảm ứng
điện từ. Các máy điện hoạt động dựa trên cơ sở định luật cảm ứng điện từ được gọi là máy
kiểu cảm ứng.
Máy điện là máy thường gặp nhiều nhất trong các ngành kinh tế như công nghiệp,
nông nghiệp, giao thông vận tải … và trong các dụng cụ sinh hoạt gia đình.
1.2. Phân loại:
Máy điện có nhiều loại được phân theo nhiều cách khác nhau, ví dụ phân loại theo
cơng suất, theo cấu tạo, theo chức năng, theo loại dòng điện (xoay chiều, một chiều), theo
nguyên lý làm việc v.v.. Trong giáo trình này ta phân loại dựa vào nguyên lý biến đổi năng
lượng như sau:
1.2.1 Máy điện tĩnh: Máy điện tĩnh thường gặp là máy biến áp. Máy điện tĩnh làm việc dựa
trên hiện tượng cảm ứng điện từ do sự biến thiên từ thông giữa các cuộn dây không có
chuyển động tương đối với nhau.

.

.
Trang 8


Giáo trình Máy điện

Trường TC KTKT Q12

Máy điện tĩnh thường dùng để biến đổi thơng số điện năng. Do tính chất thuận nghịch của
các quy luật cảm ứng điện từ, q trình biến biến đổi co tính thuận nghịch, ví dụ máy biến
áp biến đổi điện năng có thơng số: U 1, I1, f, U2, I2, f, thành hệ thống điện U1, I1, f, (hình K1).
BA

U1, l1, f

U, f
Pđiện

U2, l2, f

HìnhK-2

HìnhK-1

Pcơ

1.2.2. Máy điện có phần động (quay hoặc chuyển động thẳng).

Nguyên lý làm việc dựa vào 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. Loại máy điện này
thường dùng để biến đổi dạng năng lượng,

ví dụ biến đổi điện năng thành cơ năng (động cơ điện) hoặc biến đổi cơ năng thành điện
năng (máy phát điện). Q trình biến đổi có tính thuận nghịch (hình K-2) nghĩa là máy điện
có thể làm việc ở chế độ máy phát điện hoặc động cơ điện.

.

.
Trang 9


Giáo trình Máy điện

Trường TC KTKT Q12

3. Nguyên lý máy phát điện và động cơ điện.
Máy điện có tính thuận nghịch, nghĩa là có thể làm việc ở chế độ máy phát điện hoặc
động cơ điện.
3.1. Chế độ máy phát điện:

Cho cơ năng của động cơ sơ cấp tác dụng vào thanh dẫn một lực cơ học F cơ thanh dẫn
sẽ chuyển động với tốc độ v trong từ trường của nam châm N-S (hình K-7) trong thanh dẫn
sẽ cảm ứng sức điện động e. Nếu nối vào hai cực của thanh dẫn điện trở R của tải, dòng
điện i chạy trong thanh dẫn cung cấp điện cho tải. Nếu bỏ qua điện trở của thanh dẫn, điện
áp đặt vào tải u = e. Công suất điện máy phát cung cấp cho tải là P đ = ui = ei.
Dòng điện i nằm trong từ trường sẽ chịu tác dụng của lực điện từ F đt = Bil có chiều
như hình K-7.

Khi máy quay với tốc độ khơng đổi lực điện từ sẽ cân bằng với lực cơ của động cơ sơ
cấp:
Fcơ =Fđt .
Nhân 2 vế với v ta có:
Fcơ v = Fđt v = Bil = ei.
Như vậy công suất cơ của động cơ sơ cấp P cơ = Fcơ v đã được biến đổi thành công
suất điện Pđ = ei nghĩa là cơ năng biến thành điện năng.
3.2. Chế độ động cơ điện:
Cung cấp điện cho máy phát điện, điện áp U của nguồn điện sẽ gây ra dòng điện i
trong thanh dẫn. Dưới tác dụng của từ trường sẽ có lực điện từ F đt = Bil tác dụng lên thanh
dẫn làm thanh dẫn chuyển động với tốc độ v có chiều như hình K8.

.

.
Trang 10


Giáo trình Máy điện

Trường TC KTKT Q12

Như vậy cơng suất điện Pđ = ui đưa vào động cơ đã được biến thành công suất cơ P cơ
= Fđt v trên trục động cơ. Điện năng đã được biến đổi thành cơ năng. Ta nhận thấy cùng một
thiết bị điện từ tuỳ theo năng lượng đưa vào mà máy điện có thể làm việc ở chế độ động cơ
hoặc máy phát điện. Mọi loại máy điện đều có tính chất thuận nghịch.
4. Sơ lượt về các vật liệu chế tạo máy điện
Vật liệu chế tạo máy điện gồm: vật liệu dẫn điện, vật liệu dẫn từ, vật liệu cách điện và
vật liệu kết cấu.
4.1. Vật liệu dẫn điện:

Vật liệu dẫn điện dùng để chế tạo các bộ phận dẫn điện. Vật liệu dẫn điện dùng trong
máy điện tốt nhất là đồng vì chúng khơng đắt lắm và có điện trở suất nhỏ. Ngồi ra cịn
dùng nhơm và các hợp kim khác như đồng thau, đồng phốt pho. Để chế tạo dây quấn ta
thường dùng đồng, đôi khi nhôm. Dây đồng và dây nhơm như sợi vải, sợi thuỷ tinh giấy
nhựa hố học, sơn êmai. Với các máy điện công suất nhỏ và trung bình, điện áp dưới 700V
thường dùng dây êmai vì lớp cách điện mỏng, đạt độ bền yêu cầu đối với các bộ phận khác
ngư vành đổi chiều, lồng sóc hoặc vành trượt, ngồi đồng, nhơm, người ta cịn dùng cả hợp
kim của đồng hoặc nhơm, hoặc có chỗ còn dùng cả thép để tăng độ bền cơ học và giảm kim
loại màu.
4.2. Vật liệu dẫn từ:
Vật liệu dẫn từ dùng để chế tạo các bộ phận của mạch từ, người ta dùng các vật liệu
sắt từ để làm mạch từ, thép lá kỹ thuật điện, thép lá thường, thép đúc, thép rèn. Gang ít
được dùng, vì
dẫn từ khơng tốt lắm.
Ở đoạn mạch từ có từ thơng biến đổi với tần số 50Hz thường dùng thép lá kỹ thuật
điện dày 0,35-0,5 mm, trong thành phần thép có từ 2-5% Si (để tăng điện trở của thép, giảm
dịng điện xốy). Ở tần số cao hơn, dùng thép lá kỹ thuật điện dày 0,1-0,2 mm. Tổn hao
.

.
Trang 11


Giáo trình Máy điện

Trường TC KTKT Q12

cơng suất trong thép lá do hiện tượng từ trễ và dịng điện xốy được đặc trưng bằng suất
tổn hao. Thép lá kỹ thuật điện được chế tạo bằng phương pháp cán nóng và cán nguội. Hiện
nay với máy biến áp và máy điện thường dùng thép cán nguội vì có độ từ thẩm cao hơn và

công suất tổn hao nhỏ hơn loại cán nóng.
Ở đoạn mạch từ có từ trường khơng đổi, thường dùng thép đúc, thép rèn hoặc thép lá.
4.3. Vật liệu cách điện:
Vật liệu cách điện dùng để cách ly các bộ phận dẫn điện và không dẫn điện hoặc cách
ly các bộ phận dẫn điện với nhau. Trong máy điện, vật liệu cách điện phải có cường độ
cách điện ca, chịu nhiệt tốt, tản nhiệt tốt, chống ẩm và bền về cơ học. Độ bền vững về nhiệt
của các chất cách điện bọc dây dẫn, quyết định nhiệt độ cho phép của dây dẫn và do đó
quyết định tải của nó.
Nếu tính năng cao thì lớp cách điện có thể mỏng và kích thước máy giảm, chất cách
điện chủ yếu ở thể rắn, gồm 4 nhóm:
-

Chất hữu cơ thiên nhiên như giấy, vải lụa.

-

Chất vô cơ như amiăng, mica, sợi thuỷ tinh.

-

Các chất tổng hợp.

-

Các loại men, sơn cách điện.
Chất cách điện tốt nhất là mica, song tương đối đắt tiền nên chỉ dùng trong các máy

điện có điện áp cao. Thơng thường dùng các vật liệu có sợi như giấy, vải, sợi v.v.. Chúng có
độ bền cơ tốt, mềm, rẻ tiền nhưng dẫn nhiệt xấu, hút ẩm, cách điện kém. Do đó dây dẫn
cách điện sợi phải được sấy tẩm để cải thiện tính năng của vật liệu cách điện.

Căn cứ vào độ bền nhiệt, vật liệu cách điện được chia ra nhiều loại cấp cách điện sau:
Cấp
cách
điện

Vật liệu

Nhiệt độ giới hạn cho
phép vật liệu, (0C)

Nhiệt độ trung bình
cho phép dây quấn ,
(0C)

A

Sợi xenlulô, bông hoặc tơ tẩm
trong vật liệu hữu cơ lỏng

105

100

E

Vài loại màng tổng hợp

120

115

B

Amiăng, sợi thuỷ tinh có chất kết
dính và vật liệu gốc mica

130

120

F

Amiăng, vật liệu gốc mica, sợi
thuỷ tinh có chất kết dính và tẩm
tổng hợp

155

140

.

.
Trang 12


Giáo trình Máy điện

Trường TC KTKT Q12

Vật liệu gốc mica, amiăng sợi
thủy tinh phối hợp chất kết dính
và tẩm silíc hữu cơ

H

180

165

Ngồi ra cịn có chất cách điện ở thể khí (khơng khí, hydro) hoặc thể lỏng (dầu máy
biến áp).
4.4. 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.
5. Phát nóng và làm mát máy điện.
Trong q trình làm việc có tổn hao cơng suất. Tổn hao trong máy điện gồm tổn hao
sắt từ (do hiện tượng từ trễ và dịng xốy) trong thép, tổn hao đồng trong điện trở dây quấn
và tổn hao do ma sát (ở máy điện quay). Tất cả tổn hao năng lượng đều biến thành nhiệt
năng làm nóng máy điện.
Để làm mát máy điện, phải có biện pháp tản nhiệt ra môi trường xung quanh. Sự tản
nhiệt không những phụ thuộc vào bề mặt làm mát của máy mà còn phụ thuộc vào sự đối
lưu của khơng khí xung quanh hoặc của môi trường làm mát khác như dầu máy biến áp
v.v.. 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 máy, phải được tính tốn và lựa chọn để
cho độ tăng nhiệt của vật liệu cách điện trong máy không vượt quá độ tăng nhiệt cho phép,
đảm bảo cho vật liệu cách điện làm việc lâu dài khoảng 20 năm.
Khi máy điện làm việc ở chế độ định mức, độ tăng nhiệt của các phần tử không vượt

quá độ tăng nhiệt cho phép. Khi máy quá tải, độ tăng nhiệt sẽ vượt q nhiệt độ cho phép,
vì thế khơng cho phép quá tải lâu dài.

bảng tóm tắt khái niệm chung về máy điện
Đại lượng

Biểu thức

Sức điện động cuộn dây e
Từ thơng móc vịng

=w

Sức điện động thanh dẫn e

e = Blv

Lực điện từ Fđt

Fđt = Bil

.

.
Trang 13


Giáo trình Máy điện

Trường TC KTKT Q12

Từ áp

Hl

Sức từ động

wi

Định luật mạch từ

BÀI 1: MÁY BIẾN ÁP
Mục tiêu:
- Mô tả được cấu tạo, phân tích được nguyên lý làm việc của máy biến áp một pha và
ba pha.
- Xác định được cực tính và đấu dây vận hành máy biến áp một pha, ba pha đúng kỹ
thuật.
.

.
Trang 14


Giáo trình Máy điện

Trường TC KTKT Q12

- Đấu máy biến áp vận hành song song các máy biến áp.
- Tính tốn được các thơng số của máy biến áp ở các trạng thái: khơng tải, có tải,
ngắn mạch.

- Chọn lựa đúng máy biến áp phù hợp với mục đích sử dụng. Bảo dưỡng và sửa chữa
máy biến áp theo yêu cầu.
- Rèn luyện tính cẩn thận, tỉ mỉ, chính xác, tư duy khoa học và sáng tạo.
Nội dung
1. Khái niệm chung.
Để dẫn điện từ các trạm phát điện đến hộ tiêu thụ cần có đường dây tải điện. Nếu
khoảng cách giữa nơi sản xuất điện và hộ tiêu thụ lớn, một vấn đề lớn đặt ra và cần được
giải quyết là: việc truyền tải điện năng đi xa làm sao cho kinh tế nhất.

Hình 2.1 Sơ đồ mạng truyền tải điện đơn giản
Như ta đã biết cùng một công suất truyền tải trên đường dây, nếu điện áp được tăng
cao thì dịng điện sẽ giảm xuống, như vậy có thể làm tiết diện dây nhỏ đi, do đó trọng
lượng và chi phí lắp đặt sẽ giảm xuống. Vì thế muốn truyền tải điện năng đi xa, ít tổn hao
và tiết kiệm kim loại màu, trên đường dây người ta thường dùng điện áp cao, thường là 35,
110, 220 và 500KV. Trên thực tế, các máy điện khơng có khả nắng phát ra những điện áp
cao như vậy. Do đó phải có thiết bị tăng điện áp ở đầu đường dây lên. Mặc khác các hộ tiêu
thụ thường yêu cầu điện áp thấp, từ 0,4 đến 6KV, do đó tới đây phải có thiết bị giảm điện
áp xuống. Những thiết bị dùng để tăng điện ở đầu ra của máy phát điện và giảm điện áp khi
tới các hộ tiêu thụ tức cuối đường dây gọi là các máy biến áp. Những máy biến áp dùng
trong hệ thống điện lực gọi là máy biến áp điện lực hay máy biến áp cơng suất. Từ đó ta
cũng thấy rõ máy biến áp chỉ làm nhiệm vụ truyền tải hoặc phân phối năng lượng chứ
khơng phải là biến hố năng lượng.
Ngồi máy biến áp điện lực ra cịn có nhiều loại máy biến áp dùng trong các chuyên
ngành như: máy biến áp chuyên dùng cho các lò điện luyện kim, máy biến áp hàn điện,
máy biến áp dùng cho các thiết bị chỉnh lưu, máy biến áp dùng cho đo lường, thí nghiệm …
Khuynh hướng phát triển của máy biến áp điện lực hiện nay là thiết kế chế tạo những
máy biến áp có dung lượng thật lớn, điện áp thật cao, dùng nguyên vật liệu mới để giảm
.

.

Trang 15


Giáo trình Máy điện

Trường TC KTKT Q12

trọng lượng và kích thước máy. Về vật liệu hiện nay đã dùng loại thép cán lạnh khơng
những có từ tính tốt mà tổn hao sắt lại ít, do đó nâng cao được hệ số công suất của máy
biến áp. Khuynh hướng dùng dây nhôm thay dây đồng vừa tiết kiệm được đồng vừa giảm
được trọng lượng máy cũng đang phát triển.
2. Cấu tạo của máy biến áp
Máy biến áp có các bộ phận chính sau đây: lõi thép, dây quấn, vỏ máy.
2.1. Lõi thép
Lõi thép dùng làm mạch từ đồng thời dùng làm khung để quấn dây quấn. Lõi thép
gồm các lá thép kỹ thuật điện có bề dày từ 0,3mm đến 0,5mm được phủ một lớp vẹc ni
cách điện để tránh dòng Fucô làm tổn hao công suất động cơ khi vận hành máy. Các lá thép
được ghép lại thành khối tạo thành mách từ kín. Phần lõi thép có dây quấn gọi là trụ từ,
phần lõi thép nối với các trụ từ thành mạch kín gọi là gơng từ.
Tiết diện trụ từ có thể là hình vng, hình chữ nhật, hình thập hay hình trịn có có bậc.
Loại trụ từ có tiết diện hình trịn có bậc thường được dùng cho các máy biến áp cá cơng
suất lớn.

Hình 2.2 Cấu tạo của lõi sắt từ máy điện
2.2. Dây quấn
Dây quấn là bộ phận dẫn điện của máy biến áp, làm nhiệm vụ thu năng lượng vào và
truyền năng lượng ra. Kim loại làm dây quấn thường bằng đồng cũng có thể bằng nhôm
nhưng không phổ biến. Theo cách sắp xếp dây quấn cao áp và dây quấn hạ áp người ta chia
ra hai loại dây quấn chính: dây quấn đồng tâm và dây quấn xen kẽ.
Dây quấn đồng tâm: Ở đây dây quấn đồng tâm tiết diện ngang là những vòng trịn

đồng tâm. Dây quấn hạ áp thường quấn phía trong gần trụ thép, cịn dây quấn cao áp quấn
phía ngồi bọc lấy dây quấn hạ áp. Với cách quấn này có thể giảm bớt được điều kiện cách

.

.
Trang 16


Giáo trình Máy điện

Trường TC KTKT Q12

điện của dây quấn cao áp bởi vì giữa dây quấn cao áp và trụ đã có cách điện là dây quấn hạ
áp.
Những kiểu dây quấn chính bao gồm:
 Dây quấn hình trụ
 Dây quấn hình xoắn.
 Dây quấn xoắn liên tục.
Dây quấn xen kẽ: Các bánh dây cao áp và hạ áp lần lượt xen kẽ nhau dọc theo trụ
thép. Cần chú ý rằng, để cách điện được dễ dàng, các bánh dây sát gông thường thuộc dây
quấn hạ áp. Kiểu quấn dây này hay dùng trong các máy biến áp kiểu bạo. Vì chế tạo và
cách điện khó khăn, kém vững chắc về cơ khí nên các máy biến áp kiểu trụ hầu như không
dùng dây quấn xen kẽ.
2.3. Vỏ máy
Vỏ máy gồm hai bộ phận: thùng và nắp thùng.
+ Thùng máy biến áp: thùng máy làm bằng thép, thường là hình bầu dục. Lúc máy
biến áp làm việc, một phần năng lượng bị tiêu hao, thoát ra dưới dạng nhiệt đốt nóng lõi
thép, dây quấn và các bộ phận khác làm cho nhiệt độ của chúng tăng lên. Do đó giữa máy
biến áp và mơi trường xung quanh có một hiệu số nhiệt độ gọi là độ chênh nhiệt. Để đảm

bảo máy biến áp vận hành với tải liên tục trong thời gian qui định (thường là 15 đến 20
năm) và không bị sự cố, phải tăng cường làm lạnh bằng cách ngâm máy biến áp trong
thùng dầu. Nhờ sư đối lưu trong dầu, nhiệt truyền từ bộ phận bên trong máy biến áp sang
dầu, rồi từ dầu qua vách thùng ra môi trường xung quanh.
+ Nắp thùng: dùng để đậy thùng và trên đó đặt các thiết bị quan trọng khác như:
Các sứ ra của dây quấn cao áp và hạ áp: làm nhiệm vụ cách điện giữa dây dẫn ra với
vỏ máy.
Bình giãn dầu: là thùng hình trụ bằng thép đặt trên nắp máy và nối với thùng bằng một
ống dẫn dầu để bao đảm dầu trong thùng luôn ln đầy, phải duy trì ở một mức nhất định
nào đấy. Dầu trong thùng máy biến áp thơng qua bình giãn dầu giãn nở tự do.
Ống bảo hiểm: làm bằng thép, thường là hình trụ nghiêng. Một đầu nối với thùng, một
đầu bịt bằng một đĩa thuỷ tinh. Nếu vì một lý do nào đó, áp suất trong thùng tăng lên đột
ngột, đĩa thuỷ tinh sẽ vở, dầu theo đó thốt ra ngồi để máy biến áp khơng bị hư hỏng.
Ngồi ra trên máy biến áp cịn đặt bộ phận truyền động của cầu dao đổi nối các đầu
điều chỉnh điện áp của dây quấn cao áp.

.

.
Trang 17


Giáo trình Máy điện

Trường TC KTKT Q12

3. Các đại lượng định mức của máy biến áp
Các đại lượng của máy biến áp qui định điều kiện kỹ thuật của máy biến áp. Các
lượng này do nhà máy chế tạo qui định và thường ghi trên nhãn máy biến áp.
3.1. Dung lượng hay công suất định mức Sđm.

Dung lượng hay công suất định mức là cơng suất tồn phần (hay biểu kiến) còn gọi là
dung lượng máy biến áp, đặc trưng cho khả năng truyền tải năng lượng của máy biến áp và
thường được tính tại dây quấn thứ cấp.
Đối với máy biến áp một pha
Sđm = U2đm. I2đm
Đối với máy biến áp ba pha
Sđm = U2đm. I2đm
3.2. Điện áp dây sơ cấp định mức U1 đm
Là trị số điện áp đặt vào cuộn sơ cấp của máy biến áp khi máy làm việc. Đơn vị là V
hay KV.
3.3. Điện áp dây thứ cấp định mức U2 đm
Là trị số điện áp dây của dây quấn thứ cấp khi máy biến áp không tải và điện áp đặt
vào dây quấn sơ cấp là định mức. Đơn vị là V hay KV.
3.4. Dòng điện dây định mức ở sơ cấp I1đm và thứ cấp I2đm.
Là những dòng điện dây của dây quấn sơ cấp và thứ cấp ứng với công suất và điện áp
định mức. Đơn vị A hay KA
Đối với máy biến áp một pha
I1đm = ; I2đm =
Đối với máy biến áp ba pha.
I1đm = ; I2đm =
3.5.Tần số định mức fđm (Hz)
Là tần số của nguồn điện đặt vào sơ cấp. Thường các máy biến áp điện lực có tần số
cơng nghiệp 50Hz.
Ngồi các đại lượng trên ta cịn có một số đại lượng khác như:
 Số pha m
 Tổ đấu dây
 Điện áp ngắn mạch phần trăm Un%
 Chế độ làm việc…

.

.
Trang 18


Giáo trình Máy điện

Trường TC KTKT Q12

4. Ngun lí làm việc của máy biến áp.
4.1 Nguyên lý làm việc máy biến áp một pha.
Nguyên lý làm việc của máy biến áp dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Khảo sát
máy biến áp một pha hai dây quấn như hình trên, dây quấn sơ cấp có W 1 vịng dây, dây
quấn thứ cấp có W2 vịng dây.

Hình 2.3 sơ đồ nguyên lý máy biến áp
Đặt vào dây quấn sơ cấp một điện áp xoay chiều u 1, trong đó sẽ có dịng điện i1, dịng
điện này sẽ tạo từ thơng xoay chiều , từ thông chạy trong mạch từ sẽ móc vịng qua hai
cuộn dây sơ cấp và thứ cấp đồng thời cảm ứng trong chúng các sức điện động e 1, e2.
Nếu máy biến áp không tải (không gắn tải) thì điện áp tại thứ cấp bằng sức điện động
e2.
U20 = e2

(1-1)

Nếu thứ cấp được nối với phụ tải Z t, trong dây quấn thứ cấp sẽ có dịng điện i 2, dịng
điện này tạo ra từ thơng thứ cấp chạy trong mạch từ, từ thơng này có khuynh hướng chống
lại từ thơng do dịng điện sơ cấp tạo nên, làm cho từ thơng thứ cấp (cịn gọi là từ thơng
chính) giảm biên độ. Để giữ cho từ thơng chính có biên độ khơng đổi thì dịng điện sơ cấp
phải tăng lên một lượng lớn để bù vào sự giảm do từ thông thứ cấp gây ra.

Như vây năng lượng điện đã được truyền từ sơ cấp sang thứ cấp. Cũng cần lưu ý rằng
máy biến áp là một thiết bị truyền tải năng lượng chứ không biến đổi năng lượng.
Giả sử điện áp xoay chiếu đặt vào là một hàm hình sin, thì từ thơng do nó sinh ra
trong mạch từ có dạng là:
 = m. sin  t

(1-2)

Theo định luật cảm ứng điện từ sức điện động e1, e2 được xác định:
e1 = - W1 = -W1 = -  W1 m cos  t
.

(1-3)
.

Trang 19


Giáo trình Máy điện

Trường TC KTKT Q12
e1 = -  W1 m sin(  t - )

(1-4)

Như vậy sức điện động cảm ứng chậm pha sau từ thông trong mạch một góc /2
(900)
Đặt

E1m =  W1m = 2 f W1 m

Thì

E1 =

Tương tự

E1 = 4,44 f W1 m

(1-5a)

E2 = 4,44 f W2 m

(1-5b)

Dựa vào các biểu thức (1-5a,b), người ta định nghĩa tỷ số biến đổi của máy biến áp
( tỷ số biến áp) như sau:
Nếu chia E1 cho E2, ta có:
(1.6)
k: hệ số biến áp
Nếu bỏ qua điện trở dây quấn và từ thơng tản, có thể coi gần đúng U1  E1; U2  E2:
Với:
k > 1 => U1 > U2 ; W1 > W2: máy biến áp hạ áp
k < 1 => U1 < U2 ; W1 < W2: máy biến áp tăng áp
4.2 Định nghĩa
Từ nguyên lý làm việc cơ bản trên ta có thể định nghĩa máy biến áp như sau:
Máy biến áp là một thiết bị điện từ đứng yên, làm việc trên nguyên lý cảm ứng điện
từ, 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 khơng thay đổi.
Máy biến áp có hai dây quấn gọi là máy biến áp hai dây quấn. Dây quấn nối với

nguồn để thu năng lượng vào gọi là dây quấn sơ cấp. Dây quấn nối với tải để đưa năng
lượng ra gọi là dây quấn thứ cấp. Dòng điện, điện áp, cơng suất... của từng dây quấn sẽ có
kèm theo tên gọi sơ cấp và thứ cấp tương ứng (ví dụ dịng điện sơ cấp I 1, điện áp thứ cấp
U2,...). Dây quấn có điện áp cao gọi là dây quấn cao áp. Dây quấn có điện áp thấp gọi là
dây quấn hạ áp. Nếu điện áp thứ cấp bé hơn điện áp sơ cấp ta có máy biến áp giảm áp, nếu
điện áp thứ cấp lớn hơn điện áp sơ cấp ta có máy biến áp tăng áp
5. Mơ hình tốn và sơ đồ thay thế của máy biến áp.
Theo quy tắc vặn nút chai, chiều fi phù hợp với chiều i1, e1 và i1 cùng chiều .

.

.
Trang 20


Giáo trình Máy điện

Trường TC KTKT Q12

Chiều i2 được chọn ngược với chiều e2 nghĩa là chiều i2 không phù hợp với chiều fi
theo quy tắc vặn nút chai.
Trong Máy biến áp cịn có từ thơng tản fit1 , fit2 ( hình 7.3.a)
Từ thơng tản được đặc trưng bằng điện cảM tản .
Điện cảM tản dây quấn sơ cấp L1 : L1 = fit1 /i1
Điện cảM tản dây quấn thứ cấp L2 : L2= fit2 /i2
Phương trình cân bằng điện áp trên dây quấn sơ cấp
Áp dụng định luật Kiếchốp 2 dạng phức cho Mạch điện hình 7.3.b :

trong đó X1 = L1 W

Hình 2.4 nguyên lý làm việc của máy biến áp

Hình 2.5 Mạch điện tương đương
Trong đó X2 = L2.W
Phương trình cân bằng từ
Điện áp lưới điện đặt vào Máy biến áp U1xấp xỉ E1 = 4.44 fiW1fiMax khơng đổi, cho
nên từ thơng chính fiMax sẽ khơng đổi.
Phương trình cân bằng từ dưới dạng số phức:

sơ đồ thay thế máy biến áp
.

.
Trang 21


Giáo trình Máy điện

Trường TC KTKT Q12

Từ các phương trình cân bằng điện từ ta xây dựng Mơ hình Mạch điện cho Máy biến
áp. Sơ đồ thay thế là sơ đồ điện phản ảnh đầy đủ quá trình năng lượng trong Máy biến áp,
ta có hệ phương trình:

Trong đó:

Từ hệ phương trình trên ta xây dựng được sơ đồ thay thế cho Máy biến áp

Hình 2.6 Mạch điện của máy biến áp
hế độ không tải của máy biến áp

Là chế độ Mà phía thứ cấp hở Mạch và phía sơ cấp được đặt vào điện áp.
đặc điểm chế độ không tải của máy biến áp
Dịng điện khơng tải I0
Ta có : I0 = U1/ z0

Tổng trở z0 rất lớn vì thế I0 rất nhỏ:

I0 =(3% -10% )I1đM

Công suất không tải P0
P0 = R0 I20=Rth I2th = Pst
Hệ số công suất cosP0

Thí nghiệM khơng tải của Máy biến áp
Xác định hệ số biến áp k, tổn hao sắt từ Pst, Xth, Rth, cosP0, I0
.

.
Trang 22


Giáo trình Máy điện

Trường TC KTKT Q12

Sơ đồ thí nghiệM
Vơn kế V1 chỉ U1đM; vôn kế V2 chỉ U2đM
AMpe kế A chỉ dịng điện khơng tải I0
t Mét W chỉ công suất không tải P0
 Hệ số biến áp k :

k = W1/W2 =U1đM/U2đM

 Dịng điện khơng tải phần trăM : I0 % = I0/I1đM .100% = (3% ¸ 01%) I1đM
 Điện trở không tải:

R0=P0/I20 xấp xỉ Rth

 Tổng trở không tải: z0 = U1đM /I0
Điện kháng không tải:

Xthxấp xỉXo
 Hệ số công suất không tải: cosP0 = P0/(U1đMI0 ) = 0.1 ¸0.3
chế độ ngắn mạch của máy biến áp
Là chế độ Mà phía thứ cấp bị nối tắt lại và phía sơ cấp vẫn đặt vào điện áp. Đây là tình
trạng sự cố.
đặc điểm chế độ ngắn mạch của máy biến áp
Phương trình và sơ đồ thay thế của Máy biến áp ngắn Mạch.
Sơ đồ thay thế
Tổng trở z’2 rất nhỏ so với zth , nên có thể bỏ nhánh từ hố .
Dịng điện ngắn Mạch In:
In = U1đM/zn

Rn: điện trở ngắn Mạch Máy biến áp
Xn: điện kháng ngắn Mạch Máy biến áp.
zn : tổng trở ngắn Mạch Máy biến áp
Zn rất nhỏ cho nên In rất lớn:
In = U1đM/zn xấp xỉ (10 ¸ 25) I1đM ( tình trạng sự cố)
thí nghiệm ngắn mạch của máy biến áp
Xác định tổn hao trên điện trở dây quấn và các thông số R1, X1, R2, X2

Sơ đồ thí nghiệM ngắn Mạch
Dây quấn sơ cấp nối với nguồn qua bộ điều chỉnh điện áp .
.

.
Trang 23


Giáo trình Máy điện

Trường TC KTKT Q12

Nhờ bộ điều chỉnh điện áp, ta có thể điều chỉnh điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp bằng
Un sao cho dòng điện trong các dây quấn đạt giá trị định Mức.
Un % = Un /U1đM 100% = (3¸10 %) U1đM
Cơng suất đo trong thí nghiệM ngắn Mạch Pn là tổn hao trong điện trở 2 dây quấn.
 Tổng trở ngắn Mạch: zn = Un /I1đM
 Điện trở ngắn Mạch: Rn= Pn/I21đM
 Điện kháng ngắn Mạch

 Thông số dây quấn
R1 =R’2 = Rn /2
X1 =X’2 =Xn/2
Biết hệ số biến áp, tính được thơng số thứ cấp chưa quy đổi.
R2=R’2/k2 ;X2=X’2/k2
chế độ có tải của máy biến áp
Chế độ có tải là chế độ trong đó dây quấn sơ cấp nối với nguồn điện áp định Mức, dây
quấn thứ cấp nối với tải.
Hệ số tải :

kt = I2/I2đM= I1/I1đM
kt=1 tải định Mức, kt<1 non tải, kt >1 quá tải.

Độ biến thiên điện áp thứ cấp.
dU2% = (U2đM-U2)/ U2đM .100%
Đặc tính ngồi của Máy biến áp
Quan hệ U2 = fi(I2), khi U1 =U1đM và cosPt = const.
Điện áp thứ cấp U2 là: U2 = U2đM -dU2 = U2đM (1 - dU2%/100)
Tổn hao và hiệu suất Máy biến áp
- Tổn hao trên điện trở dây quấn sơ cấp và thứ cấp gọi là tổn hao đồng
dPđ =dPđ1+dPđ2 = I12R1 +I22R2 = kt2Pn
trong đó Pn là cơng suất đo được trong thí nghiệM ngắn Mạch .
- Tổn hao sắt từ dPst trong lõi thép do dòng điện xoáy và từ trể gây ra.. Tổn hao sắt từ
bằng cơng suất đo khi thí nghiệM khơng tải. dPst = P0
Hiệu suất Máy biến áp h:
h=P2/P1 = P2/(P2 + dPst +dPđ) = ktSđM cosPt /( ktSđM cosPt +P0 +kt2Pn)
P2= S2 cos Pt = ktSđM cosPt
.

.
Trang 24


Giáo trình Máy điện

Trường TC KTKT Q12

Nếu cosPt khơng đổi, hiệu suất cực đại khi hxích ma /xích ma kt = 0 suy ra kt2Pn =P0
Hệ số tải ứng với hiệu suất cực đại:

Đối với Máy biến áp công suất trung bình và lớn, hiệu suất cực đại khi hệ số tải
kt= 0.5 /0.7
6. Các chế độ làm việc của máy biến áp
6.1. Chế độ không tải của máy biến áp:
Chế độ không tải của máy biến áp là chế độ mà phần thứ cấp hở mạch, phía sơ cấp
đặt vào điện áp định mức.
Đặc điểm ở chế độ không tải:
a. Dịng khơng tải:
Tổng trở Z0 thường rất lớn vì thế dịng khơng tải nhỏ bằng (2%  10%).Iđm
b. Cơng suất không tải:
Ở chế độ không tải, công suất tiêu thụ máy biến áp chính là cơng suất tổn hao sắt từ
Pđt = P0.
c. Hệ số công suất không tải:
Công suất phản kháng không tải Q0 rất lớn so với cơng suất tác dụng khơng tải P 0,
do đó hệ số cơng suất khơng tải thấp. Vì vậy khi sử dụng khơng nên để máy ở tình trạng
khơng tải hoặc non tải.
6.2. Chế độ ngắn mạch máy biến áp:
Chế độ ngắn mạch của máy biến áp là chế độ mà phía thứ cấp bị nối tắt lại, sơ cấp
vẫn đặt vào điện áp.
Đặc điểm ở chế độ ngắn mạch:
Vì tổng trở ngắn mạch rất nhỏ cho nên dòng điện ngắn mạch rất lớn bằng (1025)
Iđm. Do đó khi sử dụng máy biến áp cần tránh tình trạng ngắn mạch.
6.3. Chế độ có tải của máy biến áp:
Chế độ có tải của máy biến áp là chế độ trong đó dây quấn sơ cấp nối vào nguồn điện
áp định mức, dây quấn thứ cấp nối với tải.
Khi máy biến áp làm việc, điện áp đầu ra U 2 thay đổi theo trị số và tính chất của tải
(tải mang tính cảm hay tính dung kháng). Sở dĩ có sự tay đổi điện áp ở thứ cấp là do có

.

.
Trang 25