Giáo trình Máy điện – Trường Trung cấp Kinh tế Kỹ thuật Quận 12
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (6.64 MB, 146 trang )
Giáo trình Máy điện Tr ường TC KTKT Q12
LỜI GIỚI THIỆU
Giáo trình Máy điện là tài liệu dùng để dạy cho học sinh, sinh viên chun ngành
điện dân dụng và cơng 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, cơng 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 khơng đồng bộ, động cơ một chiều, được dùng phổng máy điện và dùng phần
mềm mơ phổng như: LVSIMEMS, LVDAMEMS để lấy các thơng số kỹ thuật cơ bản.
Tài liệu do các giáo viên bộ mơn điện dân dụng và cơng nghiệp, khoa cơng 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 mơn 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 chun gia, giáo viên, giảng viên, và các bạn đọc quan
tâm, để bổ sung điều chỉnh cho giáo trình ln được cập nhật và hồn 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 Cơng Nghệ điện – điện lạnh
Trường trung cấp kinh tế kỹ thuật Quận 12
Số 36HT11 – Phường Hiệp Thành – Quận 12
Chúng tơi xin chân thành cám ơn các đồng nghiệp trong khoa cơng 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 Cơng
Chủ biên
. .
Trang 1
Giáo trình Máy điện Tr ường TC KTKT Q12
MỤC LỤC
TÊN MƠN HỌC:
Mã mơn học:
MÁY ĐIỆN
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 chun ngành như: Trang Bị Điện cho nên mơn học Máy
Điện được sắp xếp giảng dạy trước.
Tính chất: Là mơn chun ngành thuộc các mơn học đào tạo nghề bắt buộc.
II. Mục tiêu mơn học
Về kiến thức:
Trình bày được cấu tạo, ngun lý, đặc tính và ứng dụng của các loại máy điện
thơng dụng.
Tính tốn được các thơng số điện cơ bản của các loại máy điện thơng 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.
Phat huy tinh tich c
́
́ ́ ực, chu đông, sang tao va t
̉ ̣
́
̣
̀ ư duy khoa hoc trong công viêc
̣
̣
. .
Trang 2
Giáo trình Máy điện Tr ường TC KTKT Q12
III. Nội dung mơn học:
1. Nội dung tổng qt và phân phối thời gian:
Thời gian (giờ)
Thực
Số TT
Tên chương
mục
hành, thí
Tổng
Lý
nghiệm,
Kiể
số
thuyết
thảo
m tra
luận, bài
tập
1
2
3
4
5
Bài mở đầu: Khái niệm chung về máy
điện.
Máy biến áp.
Máy điện khơng đồng bộ.
Máy điện đồng bộ.
Máy điện một chiều.
Cộng:
4
4
21
20
15
15
75
20
20
15
14
73
1
1
2
2. Nội dung chi tiết:
. .
Trang 3
Giáo trình Máy điện Tr ường TC KTKT Q12
BÀI MỞ ĐẦU: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN
Mục tiêu:
Phát biểu được các định luật điện từ trong máy điện
Phân tích được ngun lý hoạt động của máy phát và động cơ điện
Giải thích được q trình phát nóng và làm mát của máy
Phat huy tinh tich c
́
́ ́ ực, chu đơng, cân thân trong cơng viêc
̉ ̣
̉
̣
̣
Nội dung:
1. Các định luật điện từ dùng trong máy điện.
Ngun 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 vịng dây sẽ cảm
ứng sức điện động. Nếu chọn chiều sức điện động cảm ứng phù hợp với chiều
. .
Trang 4
Giáo trình Máy điện Tr ường TC KTKT Q12
của từ thơng theo quy tắc vặn nút chai (hình K4), sức điện động cảm ứng trong
một vịng dây, được viết theo cơng thức Mácxoen như sau:
(K1)
Dấu trên hình K.4 chỉ chiều đi từ ngồi 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 thơng đo bằng Wb (vebe), sức điện động đo
bằng V.
2.1.2 Trường hợp thanh dẫn chuyển động trong từ trường.
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).
. .
Trang 5
Giáo trình Máy điện Tr ường TC KTKT Q12
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 dịng 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:
B từ cảm đo bằng T.
i dịng 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 K6).
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 cơng 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.
. .
Trang 6
Giáo trình Máy điện Tr ường TC KTKT Q12
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 cơng nghiệp,
nơng nghiệp, giao thơng 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 dịng điện (xoay chiều, một chiều),
theo ngun lý làm việc v.v.. Trong giáo trình này ta phân loại dựa vào ngun 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 thơng giữa các cuộn dây khơng
có chuyển động tương đối với nhau.
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: U1, I1, f, U2, I2, f, thành hệ thống điện U1, I1,
f, (hình K1).
1.2.2. Máy điện có phần động (quay hoặc chuyển động thẳng).
Ngun lý làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, lực điện từ, do từ trường
và dịng 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,
. .
Trang 7
Giáo trình Máy điện Tr ường TC KTKT Q12
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 K2) nghĩa là
máy điện có thể làm việc ở chế độ máy phát điện hoặc động cơ điện.
3. Ngun 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:
. .
Trang 8
Giáo trình Máy điện Tr ường TC KTKT Q12
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 NS (hình K7) trong
thanh dẫn sẽ cảm ứng sức điện động e. Nếu nối vào hai cực của thanh dẫn điện trở R
của tải, dịng 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. Cơng suất điện máy phát cung cấp cho tải là P đ
= ui = ei.
Dịng điện i nằm trong từ trường sẽ chịu tác dụng của lực điện từ F đt = Bil có chiều
như hình K7.
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 cơng suất cơ của động cơ sơ cấp Pcơ = Fcơ v đã được biến đổi thành cơng
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 dịng điện i
trong thanh dẫn. Dưới tác dụng của từ trường sẽ có lực điện từ Fđt = Bil tác dụng lên
thanh dẫn làm thanh dẫn chuyển động với tốc độ v có chiều như hình K8.
Như vậy cơng suất điện Pđ = ui đưa vào động cơ đã được biến thành cơng suất cơ
Pcơ = 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.
. .
Trang 9
Giáo trình Máy điện Tr ường TC KTKT Q12
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, đơi khi nhơm. Dây đồng và dây nhơm như sợi vải, sợi thuỷ
tinh giấy nhựa hố học, sơn êmai. Với các máy điện cơng suất nhỏ và trung bình, điện áp
dưới 700V thường dùng dây êmai vì lớp cách điện mỏng, đạt độ bền u 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 cịn 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 0,350,5 mm, trong thành phần thép có từ 25% Si (để tăng điện trở của
thép, giảm dịng điện xốy). Ở tần số cao hơn, dùng thép lá kỹ thuật điện dày 0,10,2
mm. Tổn hao 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 cơng 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 khơng 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
. .
Trang 10
Giáo trình Máy điện Tr ường TC KTKT Q12
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 vơ 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:
C ấ p
cách
điện
Nhiệt độ giới hạn
cho phép vật liệu,
(0C)
Nhiệt độ trung bình
cho phép dây quấn ,
(0C)
105
100
120
115
130
120
F
Amiăng, vật liệu gốc mica, sợi
thuỷ tinh có chất kết dính và
tẩm tổng hợp
155
140
H
Vật liệu gốc mica, amiăng sợi
thủy tinh phối hợp chất kết dính
và tẩm silíc hữu cơ
180
165
A
Vật liệu
Sợi xenlulơ, bơng hoặc tơ tẩm
trong vật liệu hữu cơ lỏng
Vài loại màng tổng hợp
E
B
Amiăng, sợi thuỷ tinh có chất
kết dính và vật liệu gốc mica
Ngồi ra cịn có chất cách điện ở thể khí (khơng khí, hydro) hoặc thể lỏng (dầu
máy biến áp).
. .
Trang 11
Giáo trình Máy điện Tr ường TC KTKT Q12
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 mơi trường xung quanh. Sự
tản nhiệt khơng những phụ thuộc vào bề mặt làm mát của máy mà cịn phụ thuộc vào sự
đối lưu của khơng khí xung quanh hoặc của mơi 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 khơng vượt q 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 khơng
vượt q độ tăng nhiệt cho phép. Khi máy q tải, độ tăng nhiệt sẽ vượt q nhiệt độ
cho phép, vì thế khơng cho phép q 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
Từ áp
Hl
Sức từ động
wi
Định luật mạch từ
. .
Trang 12
Giáo trình Máy điện Tr ường TC KTKT Q12
BÀI 1: MÁY BIẾN ÁP
Mục tiêu:
Mơ tả được cấu tạo, phân tích được ngun 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 13
Giáo trình Máy điện Tr ường 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 u cầu.
Ren lun tinh cân thân, ti mi, chinh xac, t
̀
̣ ́
̉
̣
̉ ̉
́
́ ư duy khoa hoc va sang tao.
̣
̀ ́
̣
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 cơng 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 chun
ngành như: máy biến áp chun dùng cho các lị điện luyện kim, máy biến áp hàn điện,
. .
Trang 14
Giáo trình Máy điện Tr ường TC KTKT Q12
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 ngun vật liệu mới
để giảm 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 cơng
suất của máy biến áp. Khuynh hướng dùng dây nhơm 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 dịng Fucơ làm tổn hao cơng 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
. .
Trang 15
Giáo trình Máy điện Tr ường TC KTKT Q12
nhơm nhưng khơng 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 vịng 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 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 gơng 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 khơng 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, thốt 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 khơng 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 mơi 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.
. .
Trang 16
Giáo trình Máy điện Tr ường TC KTKT Q12
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 ln 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.
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 cơng suất định mức Sđm.
Dung lượng hay cơng suất định mức là cơng suất tồn phần (hay biểu kiến) cịn 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 khơng tải và điện áp
đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức. Đơn vị là V hay KV.
3.4. Dịng điện dây định mức ở sơ cấp I1đm và thứ cấp I2đm.
Là những dịng điện dây của dây quấn sơ cấp và thứ cấp ứng với cơng suất và điện
áp định mức. Đơn vị A hay KA
Đối với máy biến áp một pha
I1đm = ; I2đm =
. .
Trang 17
Giáo trình Máy điện Tr ường TC KTKT Q12
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…
4. Ngun lí làm việc của máy biến áp.
4.1 Ngun lý làm việc máy biến áp một pha.
Ngun 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 ngun 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 thơng 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
e1, e2.
Nếu máy biến áp khơng tải (khơng gắn tải) thì điện áp tại thứ cấp bằng sức điện
động e2.
U20 = e2
(11)
. .
Trang 18
Giáo trình Máy điện Tr ường TC KTKT Q12
Nếu thứ cấp được nối với phụ tải Zt, trong dây quấn thứ cấp sẽ có dịng điện i2,
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 thơng 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 khơng 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
(12)
Theo định luật cảm ứng điện từ sức điện động e1, e2 được xác định:
e1 = W1 = W1 = W1
e1 = W1
cos t (13)
m
m
sin( t )
(14)
Như vậy sức điện động cảm ứng chậm pha sau từ thơng trong mạch một góc /2
(900)
Đặt
E1m = W1
Thì
E1 =
E1 = 4,44 f W1
m
E2 = 4,44 f W2
m
Tương tự
m
= 2 f W1
m
(15a)
(15b)
Dựa vào các biểu thức (15a,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 U 1 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
. .
Trang 19
Giáo trình Máy điện Tr ường TC KTKT Q12
4.2 Định nghĩa
Từ ngun 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 n, làm việc trên ngun lý cảm ứng
điện từ, biến đổi một hệ thống dịng điện xoay chiều ở điện áp này thành một hệ thống
dịng 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. Dịng 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 I1, 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 .
Chiều i2 được chọn ngược với chiều e 2 nghĩa là chiều i2 khơng 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
. .
Trang 20
Giáo trình Máy điện Tr ường TC KTKT Q12
Hình 2.4 ngun 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
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 q 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
. .
Trang 21
Giáo trình Máy điện Tr ường TC KTKT Q12
Hình 2.6 Mạch điện của máy biến áp
hế độ khơng 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 khơng 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
Cơng suất khơng tải P0
P0 = R0 I20=Rth I2th = Pst
Hệ số cơng 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
Sơ đồ thí nghiệM
Vơn kế V1 chỉ U1đM; vơn kế V2 chỉ U2đM
AMpe kế A chỉ dịng điện khơng tải I0
t Mét W chỉ cơng suất khơng 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 khơng tải: R0=P0/I20 xấp xỉ Rth
Tổng trở khơng tải: z0 = U1đM /I0
Điện kháng khơng tải:
. .
Trang 22
Giáo trình Máy điện Tr ường TC KTKT Q12
Xthxấp xỉXo
Hệ số cơng suất khơng 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 thơng số R1, X1, R2, X2
Sơ đồ thí nghiệM ngắn Mạch
Dây quấn sơ cấp nối với nguồn qua bộ điều chỉnh điện áp .
Nhờ bộ điều chỉnh điện áp, ta có thể điều chỉnh điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp
bằng Un sao cho dịng 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
. .
Trang 23
Giáo trình Máy điện Tr ường TC KTKT Q12
Thơng 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 q tải.
Độ biến thiên điện áp thứ cấp.
dU2% = (U2đMU2)/ 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 dịng điện xốy 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
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 cơng suất trung bình và lớn, hiệu suất cực đại khi hệ số tải
. .
Trang 24
Giáo trình Máy điện Tr ường TC KTKT Q12
kt= 0.5 /0.7
6. Các chế độ làm việc của máy biến áp
6.1. Chế độ khơng tải của máy biến áp:
Chế độ khơng 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 khơng tải:
a. Dịng khơng tải:
Tổng trở Z0 thường rất lớn vì thế dịng khơng tải nhỏ bằng (2% 10%).Iđm
b. Cơng suất khơng tải:
Ở chế độ khơng tải, cơng suất tiêu thụ máy biến áp chính là cơng suất tổn hao
sắt từ Pđt = P0.
c. Hệ số cơng suất khơng tải:
Cơng suất phản kháng khơng tải Q0 rất lớn so với cơng suất tác dụng khơng tải
P0, 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 dịng 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 U2 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
điện áp rơi trên các dây quấn sơ cấp và thứ cấp và do dịng điện tải I 2 thay đổi theo tính
chất của tải.
Để đánh gía mức độ tải, nhười ta sử dụng hệ số tải kt:
. .
Trang 25
