Bài giảng Máy điện cơ sở - ĐH Bách Khoa Hà Nội

BÀI GIẢNG

MÁY ĐIỆN CƠ SỞ
EE3140

MỞ ĐẦU

1

GIỚI THIỆU CHUNG
Mô tả học phần
Cung cấp kiến thức cơ bản về máy điện (gồm máy biến
áp và các loại máy điện quay):
 Nhận diện được từng loại máy điện trong thực tế, nắm được
các thông số kỹ thuật cơ bản của từng loại máy và các mối
quan hệ giữa các thơng số đó.
 Hiểu rõ cấu tạo và nguyên lý làm việc của các loại máy điện.
 Phân tích các q trình vật lý, các đặc tính tĩnh và động của
máy điện ở các chế độ làm việc khác nhau.
2


GIỚI THIỆU CHUNG
Thông tin chung về môn học
Nhiệm vụ của sinh viên:
 Dự lớp đầy đủ theo quy định.
 Hoàn thành các bài tập được giao.
Đánh giá kết quả:
 Điểm quá trình: trọng số 0.30
- Bài tập làm đầy đủ
- Làm thí nghiệm đầy đủ, có báo cáo và bảo vệ

- Kiểm tra giữa kỳ
 Thi cuối kỳ (trắc nghiệm và tự luận): trọng số 0.7
3

GIỚI THIỆU CHUNG
Thông tin chung về môn học
Tài liệu tham khảo:
1.

Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu, Máy
điện tập 1 & 2, nhà xuất bản KHKT.

2.

Stephen J.Chapman, Electric machinery fundamentals, Mc Graw Hill

3.

A. E. Fitzgerald, Electric machinery, Mc Graw Hill

4.

Ion Boldea, The induction machines design handbook, Mc Graw Hill.

5.

D.P. Kothari, Electric machines, Mc Graw Hill

6.

Turan Gonen, Electrical machines with Matlab, CRC press

4


MỞ ĐẦU

NỘI DUNG
0.1. TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐIỆN
0.2. CÁC LOẠI VẬT LIỆU DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN
0.3. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN TRONG NGHIÊN CỨU MÁY ĐIỆN
0.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MÁY ĐIỆN

5

MỞ ĐẦU
0.1. TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐIỆN

 Máy điện là gì?
 Máy biến áp là gì?
 Động cơ điện là gì?
 Máy phát điện là gì?
 Máy điện tĩnh là gì?
 Máy điện quay là gì?
 Tại sao máy điện lại trở nên rộng rãi và phổ biến như vậy?
 Về năng lượng
 Động cơ điện so với động cơ đốt trong
 Về sản xuất năng lượng điện
6

MỞ ĐẦU
0.1. TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐIỆN
Máy điện

Máy điện
quay

Máy điện tĩnh

Máy biến áp

Cuộn kháng
điện

Máy điện
xoay chiều

Máy điện 1
chiều

Máy điện
không đồng
bộ
Máy điện
đồng bộ
7

MỞ ĐẦU
0.2. CÁC ĐỊNH LUẬT DÙNG ĐỂ NGHIÊN CỨU MÁY ĐIỆN

● Định luật cảm ứng điện từ
+/ Trường hợp từ thơng Φ biến thiên xun qua vịng dây.
Khi từ thơng Φ xun qua vịng dây biến thiên trong vịng dây sẽ cảm
ứng sức điện động e. Chiều của e xác định theo quy tắc vặn nút chai. Sđđ
cảm ứng trong vịng dây được tính theo cơng thức Maxwell:

e  w



d
d

dt
dt

e
w

Khi mô tả MBA
8


MỞ ĐẦU
0.2. CÁC ĐỊNH LUẬT DÙNG ĐỂ NGHIÊN CỨU MÁY ĐIỆN
● Định luật cảm ứng điện từ
+/ Trường hợp thanh dẫn chuyển động trong từ trường.
Khi thanh dẫn chuyển động với vận tốc v vng góc với đường sức từ
trường, trong thanh dẫn cảm ứng sđđ có trị số là:
e = B.l.v

Trong đó:
B : từ cảm. [T]
v : vận tốc. [m/s]
l : chiều dài thanh dẫn. [m]
b

B

i

N
a

A

+

D

et

Rt

c

i

.

d et

B

Khi mô tả máy điện quay

l

S

9

MỞ ĐẦU
0.2. CÁC ĐỊNH LUẬT DÙNG ĐỂ NGHIÊN CỨU MÁY ĐIỆN
● Định luật lực điện từ:
Thanh dẫn mang dịng điện đặt vng góc với đường sức từ trường
sẽ chịu một lực điện từ tác dụng có trị số là:
F = Bil
Trong đó:
B : từ cảm. [T]
i : dịng điện chạy trong thanh dẫn. [A]
l : chiều dài thanh dẫn. [m]
F : lực điện từ. [N]
Chiều của lực điện từ F được xác định theo qui tắc bàn tay trái
Fđt

A

Y

n1

Z

n< n1

Khi mơ tả máy điện quay



C

v1

B
X

10


MỞ ĐẦU
0.2. CÁC ĐỊNH LUẬT DÙNG ĐỂ NGHIÊN CỨU MÁY ĐIỆN
● Định luật tồn dịng điện:
Tích phân cường độ từ trường theo một đường khép kín bất kỳ quanh
một số mạch điện bằng tổng dòng điện trong w vòng dây của các mạch.

 H.dl   i  i.w  F

l (L)

i
w

11

CHƯƠNG O: MỞ ĐẦU
0.3. CÁC LOẠI VẬT LIỆU DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN
● Vật liệu dẫn điện
Vật liệu dẫn điện dùng để chế tạo các bộ phận
dẫn điện. Vật liệu dẫn điện thường dùng là đồng và
nhơm vì chúng có điện trở suất nhỏ, giá cả phải
chăng.
Đồng có điện trở suất nhỏ ρCU < ρAl , chịu gia
cơng cơ khí nhưng đắt và nặng hơn nhôm.

12


MỞ ĐẦU
0.3. CÁC LOẠI VẬT LIỆU DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN
● Vật liệu dẫn từ
Vật liệu dẫn từ dùng để chế tạo mạch từ của
máy điện. Có nhiều loại vật liệu dẫn từ khác nhau:
thép lá kỹ thuật điện, thép đúc, thép rèn…nhưng chủ
yếu là thép lá kỹ thuật điện dày 0,27÷0,5 mm có
+ Độ từ thẩm lớn
+ Tổn hao cơng suất nhỏ
pha thêm Silic (2 - 4.5%)
Để  tổn hao do dịng điện xốy và từ trễ
sơn cách điện
Theo cách chế tạo thép kỹ thuật điện gồm 2 loại:
+ Cán nóng

+ Cán nguội
Thép cán nguội có độ từ thẩm cao hơn và suất tổn hao nhỏ hơn thép cán nóng
13

MỞ ĐẦU
0.3. CÁC LOẠI VẬT LIỆU DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN
● Vật liệu kết cấu
Dùng để chế tạo các bộ phận và chi tiết truyền động hoặc kết cấu của
máy như: trục, ổ trục, vỏ máy, nắp máy. Người ta thường dùng gang, thép,
kim loại màu, hợp kim và các vật liệu bằng chất dẻo.

14


MỞ ĐẦU
0.3. CÁC LOẠI VẬT LIỆU DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN
● Vật liệu cách điện
Để cách điện giữa các phần mang điện với nhau và với các phần
không mang điện của máy. Vật liệu cách điện trong máy điện phải có
cường độ cách điện cao, chịu nhiệt tốt, độ dẫn nhiệt tốt, chống ẩm và bền
về cơ học.
+ Thể rắn: amiăng, mica, sợi thủy tinh...
+ Thể lỏng: dầu biến áp
+ Thể khí: khơng khí

15

MỞ ĐẦU
0.3. CÁC LOẠI VẬT LIỆU DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN
● Vật liệu cách điện

Vật liệu cách điện
được chia ra làm 7 cấp
theo nhiệt độ cho phép của
chúng:

16


MỞ ĐẦU
HỆ THỐNG ĐƠN VỊ VÀ CÁC ĐẠI LƯỢNG THƯỜNG DÙNG TRONG MÁY
ĐIỆN
Để thuận lợi trong quá trình nghiên cứu, thiết kế, tính tốn máy điện
người ta dùng hệ đơn vị tương đối.

I* 

I
I đm

; U* 

U
P
z
; P* 
; z* 
;...
U đm
Pđm
z đm

17

MỞ ĐẦU
0.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MÁY ĐIỆN
Việc nghiên cứu máy điện gồm các bước sau:
1. Nghiên cứu các hiện tượng vật lý xảy ra trong máy điện.
2. Lập mơ hình tốn, đó là hệ phương trình tốn học mô tả sự làm việc của
máy điện.
3. Từ mô hình tốn thiết lập mơ hình mạch, đó là sơ đồ thay thế của máy
điện.
4. Từ mơ hình tốn và mơ hình mạch, tính tốn các đặc tính và nghiên cứu
máy điện, khai thác sử dụng theo các yêu cầu cụ thể.
U%

   E  I Z
U
1
1
1 1
 '





U

E


I
Z
 2
2
2 2
I  I  (I )
2
1 0

I1

x

cos2 = 0,8
1

r

-I'2

1

r' x'
2

2 > 0

2

cos2 = 1

U1

r
x

m

U'2

Z't

0



m

2 < 0

cos2 = 0,8

18


BÀI GIẢNG

Máy điện cơ sở
EE3140

1

1.1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP

NỘI DUNG
•

VAI TRỊ VÀ CƠNG DỤNG CỦA MÁY BIẾN ÁP

•

ĐỊNH NGHĨA MÁY BIẾN ÁP

•

NGUN LÍ LÀM VIỆC CƠ BẢN CỦA MÁY BIẾN ÁP

•

CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐỊNH MỨC CỦA MÁY BIẾN ÁP

•

PHÂN LOẠI MÁY BIẾN ÁP

•

CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP

2

1.1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP
VAI TRÒ VÀ CƠNG DỤNG CỦA MÁY BIẾN ÁP
● Máy biến áp có vai trò quan trọng trong hệ thống điện, dùng để truyền tải
và phân phối điện năng. Để dẫn điện từ nhà máy điện đến hộ tiêu thụ cần
phải có đường dây tải điện.

3

1.1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP
VAI TRỊ VÀ CƠNG DỤNG CỦA MÁY BIẾN ÁP
Hộ tiêu thụ
0,4 – 6 kV
MFĐ
3  21 kV

MBA
tăng áp

35, 110, 220, 500
kV

MBA
hạ áp

Ta có cơng suất truyền tải trên đường dây:
S = U.I
Nếu U  thì I 
 tiết diện dây Sd 

 tổn thất năng lượng ∆P = I2.R 
 tổn thất điện áp ∆U = I.R 

4


1.1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP
VAI TRÒ VÀ CÔNG DỤNG CỦA MÁY BIẾN ÁP
● MBA sử dụng

- trong các thiết bị lò nung: MBA lò
- trong hầm mỏ: MBA mỏ
- trong hàn điện: MBA hàn điện
- trong đo lường, thí nghiệm: máy biến điện áp…

Mining transformers
5

1.1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP
ĐỊNH NGHĨA MÁY BIẾN ÁP
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.
MBA 2 dây quấn ?
Dây quấn sơ cấp ?
Dây quấn thứ cấp ?
Cách ký hiệu các đại lượng, thông số sơ cấp và thứ cấp:
- Dây quấn sơ cấp: w1, U1, I1, P1
- Dây quấn thứ cấp: w2, U2, I2, P2
6

1.1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP
ĐỊNH NGHĨA MÁY BIẾN ÁP
MBA 3 dây quấn ?
Dây quấn thứ 3 với điện áp trung bình
Tùy vào số pha của cuộn dây có:
- MBA 1 pha
- MBA 3 pha
MBA dùng trong hệ thống điện lực gọi là MBA điện lực hay MBA cơng
suất. Ngồi ra cịn có các loại MBA dùng trong các ngành chun mơn như:
MBA chun dùng cho các lị luyện kim, khai khống, MBA hàn…
Tổng cơng suất của các máy biến áp trong hệ thống truyền tải và
phân phối điện năng?
7

1.1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP
NGUYÊN LÍ LÀM VIỆC CƠ BẢN CỦA MÁY BIẾN ÁP
Xét 1 MBA một pha hai dây quấn CA và HA có sơ đồ nguyên lý:
Đặt điện áp ~u1 vào dây quấn sơ cấp

Có dịng điện trong dây quấn sơ cấp? dịng ~ i1 ?
Từ thông biến thiên trong mạch từ?
Khi nào xuất hiện suất điện động cảm ứng trong dây quấn? e1 và e2

8


1.1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP
NGUYÊN LÍ LÀM VIỆC CƠ BẢN CỦA MBA

Nếu cuộn thứ cấp nối với tải → i2. i2 → Φ2.
→ từ thông tổng Φ = Φ1+ Φ2
Nếu u1 là hàm hình sin → Φ cũng sin: Φ = Φm.sint ;  = 2f
Từ thông chính khép kín trong mạch từ móc vịng với cả hai dây quấn. Theo
định luật cảm ứng điện từ có:

d
  w 1 .. m . cos t
dt


 w 1.. m . sin(t  )  2.E1. sin(t  )
2
2

e1   w 1


e2  2.E 2 .sin(t  )
2
9

1.1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP
NGUYÊN LÍ LÀM VIỆC CƠ BẢN CỦA MÁY BIẾN ÁP
Trong đó E1, E2 là giá trị hiệu dụng của các sđđ dây quấn 1 và 2:

E1 

w 1 .. m 2..f .w 1 . m


 4,44.f .w 1. m
2
2

E 2  4,44.f .w 2 . m
Lấy E1 chia cho E2 ta được:

E1 w 1

 k : gọi là hệ số biến áp
E2 w2

Nếu bỏ qua điện áp rơi trên các dây quấn ta có :

k

w1 E1 U1


w 2 E2 U2



U1 U 2
: số vơn_vịng

w1 w 2

Điện áp cảm ứng trên mỗi vòng dây sơ cấp và thứ cấp bằng nhau.

Kết luận gì?

10


1.1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP
CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐỊNH MỨC CỦA MÁY BIẾN ÁP

11

1.1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP
CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐỊNH MỨC CỦA MÁY BIẾN ÁP
1. Dung lượng (công suất định mức): Sđm (VA hay kVA)
2. Điện áp định mức sơ cấp: U1đm = U1 (V, kV)
3. Điện áp định mức thứ cấp: U2đm = U20 (V hay kV)
4. Dòng điện định mức sơ cấp I1đm và thứ cấp I2đm (A hay kA)
Đối với MBA một pha:

I1đm 

Đối với MBA ba pha:

I1đm 

Sđm
S
; I 2đm  đm
U1đm
U 2đm

Sđm
Sđm
; I 2 đm 
3U1đm
3U 2đm

5. Tần số định mức fđm(Hz). Thường fđm = 50Hz.
Ngoài ra trên nhãn MBA còn ghi các số liệu khác như: số pha m, sơ
đồ và tổ nối dây, điện áp ngắn mạch un%...
12


1.1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP
PHÂN LOẠI MÁY BIẾN ÁP

• Theo kiểu máy biến áp dầu hay khơ? Kiểu hở hay kiểu kín?
• Theo số pha 1-3 pha?
• Theo tần số?
• Theo cấp điện áp?
• Theo vị trí trong mạng truyền tải hay phân phối?
• Theo cơng dụng?

13

1.1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP
PHÂN LOẠI MÁY BIẾN ÁP
Theo công dụng:
1. MBA điện lực: để truyền tải và phân phối công suất trong hệ thống điện lực.
2. MBA chuyên dùng: sử dụng ở lò luyện kim, các thiết bị chỉnh lưu, MBA hàn
...

3. MBA tự ngẫu: dùng để mở máy động cơ không đồng bộ công suất lớn.
4. MBA đo lường: dùng để giảm các điện áp và dòng điện lớn đưa vào các
đồng hồ đo tiêu chuẩn.
5. MBA thí nghiệm dùng để thí nghiệm điện áp cao.
MBA có nhiều cách phân loại và có rất nhiều loại song thực chất hiện
tượng xảy ra trong chúng đều giống nhau. Để thuận tiện cho việc nghiên cứu,
các phần sau ta xét MBA điện lực hai dây quấn một pha và ba pha.

14


1.1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP
CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP
Phần chính trong MBA gồm: phần tác dụng ( lõi thép và dây quấn) và phần kết cấu
( vỏ máy và các chi tiết khác)

15

1.1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP
CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP
● Lõi thép:
Lõi thép MBA là một mạch từ khép kín dùng để dẫn từ thông, đồng thời
là khung để quấn dây quấn. Được chế tạo bằng các vật liệu dẫn từ tốt,
thường là thép kỹ thuật điện có bề dày từ 0,35 mm, mặt ngồi các lá thép có
sơn cách điện rồi ghép lại với nhau thành lõi thép.

16


1.1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP

CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP
● Lõi thép:
Lõi thép gồm hai phần:
- Phần trụ
- Phần gông

17

1.1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP
CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP
● Lõi thép:
Lõi thép có các loại kết cấu nào?
- Kiểu trụ: dây quấn bao quanh trụ thép

18


1.1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP
CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP
● Lõi thép:
- Kiểu bọc: lõi sắt bọc xung quanh dây quấn

19

1.1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP
CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP
● Lõi thép:
Các loại kết cấu lõi thép:
- Kiểu trụ - bọc: ở các MBA công suất lớn, để giảm chiều cao trụ thép,
thuận tiện cho việc vận chuyển, mạch từ của MBA kiểu trụ được phân nhánh

sang hai bên nên MBA có kết cấu vừa kiểu trụ, vừa kiểu bọc, gọi là MBA kiểu
trụ bọc.

20


1.1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP
CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP
● Dây quấn
Dây quấn là bộ phận dẫn điện của MBA. Dây quấn MBA thường làm
bằng dây dẫn đồng hoặc nhơm, tiết diện trịn hay chữ nhật, bên ngồi dây dẫn
có bọc cách điện. Xét MBA 2 dây quấn, mỗi pha có 2 dây quấn CA và HA. Hai

21

1.1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP
CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP
● Dây quấn
1. Dây quấn đồng tâm:
Có tiết diện ngang là những vòng tròn đồng tâm
Những kiểu dây quấn đồng tâm chính gồm:
a/ Dây quấn hình trụ: dùng cho cả dây quấn hạ áp và cao áp. Với dòng
điện nhỏ thì dùng dây trịn quấn thành nhiều lớp, với dịng điện lớn thì dùng
dây dẹt quấn thành hai lớp.

22


1.1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP
CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP

● Dây quấn
1. Dây quấn đồng tâm:
b/ Dây quấn hình xoắn: thường dùng cho dây quấn hạ áp. Gồm nhiều
dây bẹt chập lại quấn theo đường xoắn ốc.
c/ Dây quấn hình xốy ốc liên tục: chủ yếu dùng cho dây quấn CA. Dây
được quấn thành những bánh dây phẳng cách nhau bằng rãnh hở.

23

1.1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP
CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP
● Dây quấn
2. Dây quấn xem kẽ:
Các bánh dây CA và HA lần lượt xen kẽ nhau dọc theo trụ thép.

24


1.1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP
CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP
● Phần kết cấu:
Phần kết cấu của MBA gồm vỏ máy và các chi tiết khác. Vỏ MBA gồm
hai bộ phận: thùng và nắp thùng.

25

1.1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP
CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP
● Phần kết cấu:
1. Thùng MBA:

- Thùng MBA làm bằng thép, có tiết diện hình chữ nhật hoặc ơvan.
- Trong thùng MBA đặt lõi thép, dây quấn và dầu biến áp.
- Dầu biến áp làm nhiệm vụ tăng cường cách điện và tản nhiệt.

26


1.1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP
CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP
● Phần kết cấu:
2. Nắp thùng MBA: đậy trên thùng và có các bộ phận quan trọng như:
- Sứ ra của dây quấn CA và HA
- Bình dãn dầu (bình dầu phụ)
- Ống bảo hiểm
- 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.

27

1.1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP
CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP
● Phần kết cấu:

28


1.1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP
CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP
● Phần kết cấu:

29


BÀI GIẢNG

Máy điện cơ sở
EE3140

1

1.2. QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MÁY BIẾN ÁP

NỘI DUNG
• Các phương trình cơ bản của máy biến áp
• Quy đổi máy biến áp
• Sơ đồ mạch điện thay thế và đồ thị vector của
máy biến áp
• Xác định các tham số của máy biến áp bằng thí
nghiệm

2

1