Giáo trình Máy điện (Nghề Vận hành thuỷ điện)

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI
TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI

GIÁO TRÌNH NỘI BỘ
MƠ ĐUN: MÁY ĐIỆN
NGHỀ : VẬN HÀNH THỦY ĐIỆN
(Áp dụng cho trình độ Trung cấp)

LƯU HÀNH NỘI BỘ
NĂM 2017

1


LỜI GIỚI THIỆU
Máy điện là một trong những môđun chuyên mơn được biên soạn dựa trên
chương trình khung và chương trình dạy nghề do Bộ Lao động - Thương binh và Xã
hội và Tổng cục Dạy nghề ban hành dành cho hệ Cao Đẳng và Trung Cấp Nghề Vận
hành nhà máy thủy điện .
Tập bài giảng này được biên soạn làm tài liệu học tập, giảng dạy nên được xây
dựng ở mức độ đơn giản và dễ hiểu nhất, trong mỗi bài đều có ví dụ và bài tập áp dụng
để làm sáng tỏ lý thuyết.
Khi biên soạn, tác giả đã dựa trên kinh nghiệm giảng dậy, tham khảo đồng
nghiệp và tham khảo ở nhiều giáo trình hiện có để phù hợp với nội dung chương trình
đào tạo và phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung lý thuyết và thực hành được biên
soạn gắn với nhu cầu thực tế.
Nội dung của mơ đun gồm có 6 bài:
Bài 1: Khái niệm chung về máy điện
Bài 2: Máy biến áp
Bài 3: Máy điện không đồng bộ
Bài 4: Máy điện đồng bộ

Bài 5: Máy điện một chiều
Bài 6: Máy điện đồng bộ và máy điện một chiều đặc biệt
Tập bài giảng này cũng là tài liệu giảng dạy và tham khảo tốt cho các ngành
thuộc lĩnh vực điện dân dụng, điện cộng nghiệp, điện tử, cơ khí và cán bộ vận hành
sửa chữ máy điện.
Trong quá trình biên soạn mặc dù đã có rất nhiều cố gắng song khó tránh khỏi
những sai sót, nhầm lẫn và khiếm khuyết. Tơi rất mong nhận được sự góp ý của Quý
đồng nghiệp và các bạn Học sinh - Sinh viên trong toàn Trường để tập bài giảng càng
hồn thiện hơn.
Tơi xin chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp, cảm ơn Khoa Điện-Điện tử,
Trường Cao đẳng Lào Cai đã tạo điều kiện và giúp đỡ cho tơi hồn thành tập bài
giảng này.
Lào Cai, ngày .... tháng .... năm 2017
Người biên soạn
GV Nguyễn Thị Thanh Hoa

2


MỤC LỤC
TRANG
2

1. Lời giới thiệu
Bài 1: Khái niệm chung về máy điện.

5

Bài 2: Máy biến áp.

11

1. Cấu tạo và công dụng của máy biến áp:

11

2.Các đại lượng định mức:

13

3. Nguyên lý làm việc của máy biến áp;

14

4. Các chế độ làm việc của máy biến áp:

15

5. Tổn hao năng lượng và hiệu suất của máy biến áp:

21

6. Máy biến áp 3 pha:

21

7. Đấu các máy biến áp làm việc song song:

24

Bài 3: Máy điện không đồng bộ.

30

1. Khái niệm và phân loại:

30

2. Động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha:

31

3. Động cơ không đồng bộ xoay chiều một pha:

38

Bài 4: Máy điện đồng bộ.

43

1. Định nghĩa và công dụng

43

2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ:

43

3. Phản ứng phần ứng của máy phát điện đồng bộ:

47

4. Các đường đặc tính điện:

49

5. Máy phát điện đồng bộ làm việc song song :

53

6. Động cơ và máy bù đồng bộ:

54

Bài 5: Máy điện một chiều.

59

1. Đại cương về máy điện một chiều:

59

2. Các quan hệ điện từ:

64

3. Phản ứng phần ứng của máy điện một chiều:

69

4. Đổi chiều dòng điện:

70

5. Máy phát điện một chiều :

70

6. Động cơ điện một chiều:

72

Bài 6: Máy điện đồng bộ và máy điện một chiều đặc biệt.

78

1: Máy điện đồng bộ đặc biệt:

78

2. Máy điện một chiều đặc biệt:

82

3


TẬP BÀI GIẢNG MÔ ĐUN MÁY ĐIỆN
MỤC TIÊU MÔ ĐUN:
* Kiến thức:

- Trình bày được cấu tạo và nguyên lý làm việc của các loại máy biến áp, máy điện
một chiều và xoay chiều;
- Giải thích được các tính năng kỹ thuật của từng loại máy điện;
- Xác định được phạm vi ứng dụng của từng loại máy điện trong sản xuất, truyền tải
và sử dụng điện năng;
* Kỹ năng:
- Lựa chọn được các khí cụ khống chế và dụng cụ đo thích hợp;
- Vận hành được các loại máy biến áp, máy phát điện, động cơ điện;
- Phán đoán và xử lý được các hiện tượng khơng bình thường xảy ra trong khi vận
hành các máy điện.
* Năng lực tự chủ và trách nhiệm.
- Vận dụng được các kiến thức đã học vào công việc thực tế.
- Bảo đảm an toàn, kiệm nguyên vật liệu khi bảo dưỡng và sửa chữa.
NỘI DUNG:

4


BÀI 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN
Mục tiêu của bài:
Học xong bài này, người học có khả năng:
- Nhận biết được các loại máy điện;
- Vận dụng được các định luật dùng để nghiên cứu máy điện;
- Phân biệt được các loại vật liệu dùng trong máy điện;
- Giải thích được q trình phát nóng và làm mát máy điện.
- Tích cực chủ động trong học tập.
Nội dung:
1. Định nghĩa và phân loại:
1.1. Định nghĩa
Máy điện là thiết bị điện từ, nguyên lý làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng

điện từ, cấu tạo chính gồm có lõi thép và mạch từ, mạch điện, dùng để biến đổi năng
lượng cơ năng thành điện năng, hoặc ngược lại .
1.2. Phân loại
Máy điện có nhiều loại được phân loại theo nhiều cách khác nhau: phân loại
theo công suất, theo cấu tạo, theo chức năng, theo dòng điện, theo nguyên lý làm
việc… ở đây ta phân loại theo nguyên lý biến đổi năng lượng.
a. Máy điện tĩnh : như máy biến áp thường dùng để biến đổi điện năng.
b. Máy điện quay : như máy phát điện, động cơ điện .

Hình 1.1: Sơ đồ phân loại máy điện thông dụng thông thường

5


* Tính thuận nghịch của máy điện:
a. Đối với máy điện tĩnh
Máy điện tĩnh thường gặp là các loại máy biến áp. Máy điện tĩnh làm việc dựa
trên hiện tượng cảm ứng điện từ do sự biến thiện từ thông giữa các cuộn dây khơng có
sự chuyển động tương đối với nhau.
Máy điện tĩnh thường dùng để biến đổi thông số điện năng. Do tính chất thuận
nghịch của các quy luật cảm ứng điện từ, q trình biến đổi có tính chất thuận nghịch.
Ví dụ: máy biến áp có thể biến đổi điện năng có các thơng số U1, I1, F1 thành
điện năng có các thơng số U2, I2, F2 và ngược lại.

Hình 1.2. Tính thuận nghịch của máy điện tĩnh
b. Đối với máy điện quay
Nguyên 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 năng lượng.
Ví dụ: Biến điện năng thành cơ năng( động cơ điện)hoặc biến cơ năng thành

cơ điện năng( máy phát điện).Trong quá trình biến đổi có tính thuận nghịch nghĩa là
máy điện có thể làm việc ở chế độ máy phát hoặc động cơ điện.
2. Các định luật thường dùng để nghiên cứu máy điện:
2.1. Định luật về cảm ứng điện từ, Định luật Faraday
2.1.1. Trường hợp từ thông Φ biến thiên xuyên qua vịng dây:
Khi từ thơng Φ 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 theo chiều của từ
thông theo quy tắc vặn nút chai (hình 1.3) , sức điện động cảm ứng trong một vịng
dây được viết theo cơng thức Macxoen như sau :

e

d
dt

( 1.1)

Dấu  trên hình 1.3 chỉ chiều đi từ ngồi vào trong trang giấy . Nếu cuộn dây
có w vịng thì sức điện động cảm ứng cuộn dây sẽ là :

6


e

wd
d

dt
dt

(1.2)

Hình 1.3: chiều sức điện động cảm ứng
 = w. Φ gọi là từ thơng móc vịng của cuộng dây.

Trong các công thức (1.1), (1.2) từ thông được đo bằng wb (Vêbe) , sức điện
động đo bằng V(vôn) .
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
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
(1.3)
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 1.4)
Hình 1.4: Xác định chiều
sức điện động cảm ứng
* Quy tắc bàn tay phải : xác định chiều dòng điện cảm ứng trong một dây dẫn chuyển
động trong một từ trường: Nắm bàn tay phải rồi đặt sao cho bốn ngón tay hướng theo
chiều dịng điện chạy qua các vịng dây thì ngón cái chỗi ra chỉ chiều của dòng điện.
2.1.3. Định luật Fa-ra-day:
Là định luật cơ bản trong điện từ, cho biết từ trường tương tác với một mạch
điện để tạo ra sức điện động - một hiện tượng gọi là cảm ứng điện từ. Đó là nguyên lý
hoạt động cơ bản của máy biến áp, cuộn cảm, các loại động cơ điện, máy phát

điện và nam châm điện.
Định luật cảm ứng Faraday cho biết mối liên hệ giữa biến thiên từ
thơng Φ trong diện tích mặt cắt của một vịng kín và điện trường cảm ứng dọc theo
vịng đó.
7


2.2. Định luật về 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 tác dụng của một lực
điện từ tác dụng vng góc với trị số là :
Fdt = B.i.l
(1.4)
Trong đó : B - Từ cảm đ bằng T(Tesla)
i - dòng điện đo bằng A(Ampe)
l - chiều dài hiệu dụng đo bằng m(met)
Fdt – lực điện từ đo bằng N(Niuton)
Chiều của sức điện động cảm ứng được xác định
theo quy tắc bàn tay trái (hình 1.5)
Hình 1.5: Xác định chiều lực điện
từ
* Quy tắc bàn tay trái (còn gọi là quy tắc Fleming) :Đặt bàn tay trái sao cho các
đường cảm ứng từ hướng vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến ngón tay giữa hướng
theo chiều dịng điện thì ngón tay cái chỗi ra 90° chỉ chiều của lực điện từ.
2.3. Năng lượng trường điện từ
Điện trường và từ trường đồng thời tồn tại trong không gian tạo thành một
trường thống nhất gọi là trường điện từ. Trường điện từ là một dạng vật chất đặc trưng
cho tương tác giữa các hạt mang điện.
3. Phát nóng và làm mát của máy điện
3.1. Phát nóng của máy điện

Trong q trình làm việc có tổn hao cơng suất.
Tổn hao năng lượng 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. Khi
đó do tác động của nhiệt độ, chấn động và các tác động lý hoá khác, lớp cách điện sẽ
bị lão hố, nghĩa là mất dần các tính bền về điện và cơ. Thực nghiệm cho thấy khi
nhiệt độ tăng q nhiệt độ cho phép 8÷100C thì tuổi thọ của vật liệu cách điện giảm đi
một nửa. Ở nhiệt độ làm việc cho phép, độ tăng nhiệt của các phần tử không vượt quá
độ tăng nhiệt cho phép, tuổi thọ trung bình của vật liệu cách điện vào khoảng 10÷15
năm . Khi máy làm việc quá tải, độ tăng nhiệt độ sẽ vượt quá nhiệt độ cho phép.
8


Vì vậy, khi sử dụng máy điện cần tránh để máy quá tải làm nhiệt độ tăng cao
trong một thời gian dài .
3.2 Làm mát của máy điện
Để làm mát máy điện phải có biện pháp tản nhiệt ra ngồi môi trường xung
quanh. Sự tản nhiệt không những phụ thuộc vào bề mặt làm mát của mặt 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… Thơng thường, vỏ máy điện được chế tạo có các cánh tản
nhiệt và máy điện có hệ thống quạt gió để làm mát.
4. Sơ lược về các vật liệu chế tạo máy điện:
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 photpho. Để chế tạo dây
quấn người ta thường dùng đồng đôi khi dùng nhôm. Dây đồng và dây nhôm như sợi
vải, sợi thủy tinh, giấy nhựa hóa học, sơn emay. Với các máy điện cơng suất nhỏ và
trung bình điện áp dưới 700V thường dùng dây emay vì lớp cách điện mỏng, đạt độ

bền yêu cầu đối với các bộ phận khác như vành đổi chiều, lồng sóc hoặc vành trượt,
ngồi đồng, nhơm người ta cịn dùng hợp kim của đồng , nhơm hoặc có chỗ còn dùng
cả thép để tăng độ bền cơ học và giảm chi phí kim loại màu.
4.2. Vật liệu cách điện
Vật liệu cách điện dùng để cách ly bộ phận dẫn điện và bộ phận không dẫn điện
hoặc các bộ phận dẫn điện với nhau. Trong máy điện vật liệu cách điện phải có cường
độ cahcs điện cao, chịu nhiệt tốt, chống ẩm và bền về cơ học. Độ bền vững về nhiệt
của 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 , chiaa làm 4 nhóm:
-

Chất hữu cơ thiên nhiên như giấy, vải lụa

-

Các chất tổng hợp

-

Các loại men, sơn cách điện

-

Chất vô cơ như amiang, sợi thủy tinh , miaca
Chất cách điện tốt nhất là mica song tương đối đắt nên chỉ dùng trong các máy điện có
điện áp cao. Thơng thưởng sử dụng giấy, sợi, vải....chúng có độ bền cơ cao, mềm, rẻ
tiền nhưng dẫn nhiệt xấu, hút ẩm, cách điện kém. Do vậy dây dẫn cách điện phải được
tẩm sấy để cải thiện tính năng của vật liệu cách điện.

9


4.3. 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 kĩ 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 thpes lá kĩ
thuật điện dày 0.35 -0.5mm , trong thành phần thép có từ 2-5% Si ( để tăng điện trở
của thép, giảm dịng điện xốy). Ở tần số cao dùng thép lá kĩ thuật điện dày 0.1 – 0.2
mm. Tổn ho công suất trong thép lá do hiện tượng từ trễ và dịng điện xốy được đặc
trưng bằng sắt tổn hao . Thép lá kĩ 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.
Câu hỏi ôn tập
Câu 1: Các bộ phận của máy điện là gì? Chức năng của các bộ phận ấy?
Câu 2: giải thchs ứng dụng của định luật cảm ứng điện từ và lực điện từ trong máy
điện?
Câu 3: giải thích nguyên lí thuận nghịch của máy điện?
Câu 4: Định luật mạch từ và phương pháp tính mạch từ?
Câu 5: Các vật liệu chính chế tạo mạch từ là gì?

10


BÀI 2: MÁY BIẾN ÁP
Mục tiêu của bài:
Học xong bài này, người học có khả năng:
- Trình bày được cơng dụng, cấu tạo, nguyên lý làm việc và các đại lượng định mức

của máy biến áp;
- Giải thích được các chế độ làm việc của máy biến áp, nguyên nhân gây ra tổn hao
năng lượng trong máy biến áp;
- Thực hiện đấu các máy biến áp làm việc song song;
- Phân tích được cấu tạo, nguyên lý làm việc của các máy biến áp đặc biệt.
- Tích cực chủ động trong học tập.
Nội dung:
1. Cấu tạo và công dụng của máy biến áp
1. 1. Cấu tạo của máy biến áp
Máy biến áp bao gồm hai phần chính: Lõi thép và dây quấn
1.1.1.Lõi thép của máy biến áp :
Lõi thép máy biến áp dùng để dẫn từ thơng chính của máy, được chế tạo từ
những vật liệu dẫn từ tốt, thường là thép lá kỹ thuật điện( dày 0,35 đến 0,5 mm, hai
mặt có sơn cách điện ghép lại với nhau tạo thành lõi thép).
Về hình dáng máy biến áp có hai loại : loại trụ và loại bọc.
Loại trụ: được tạo bởi các lá thép hình chữ U và chữ I (Hình 2.1a, 2.2a ). Một
lượng lớn từ trường sinh ra bởi cuộn dây sơ cấp không cắt cuộn dây thứ cấp, hay máy
biến áp có một từ thơng rị lớn. Để cho từ thơng rị ít nhất, các cuộn dây được chia ra
với một nửa của mỗi cuộn đặt trên một trụ của lõi thép.
Loại bọc: được tạo bởi các lá thép hình chữ E và chữ I (Hình 2.1b, 2.2b). Lõi
thép loại này bao bọc các cuộn dây quấn, hình thành một mạch từ có hiệu suất rất cao,
được sử dụng rộng rãi.

Hình 2.1a. Lõi thép hình chữ U-I

Hình 2.1b. Lõi thép hình chữ E-I

11

Hình 2.2a. Hình dạng máy biến áp một Hình 2.2b. Hình dạng máy biến áp
pha loại trụ
một pha loại bọc
Phần lõi thép có quấn dây gọi là trụ từ, phần lõi thép nối các trụ từ thành mạch
kín gọi là gông từ.
1.1.2. Dây quấn của máy biến áp:
Dây quấn của máy biến áp thường được chế tạo bằng dây đồng hoặc nhơm, có
tiết diện hình trịn hoặc hình chữ nhật. Đối với dây quấn có dịng điện lớn, sử dụng các
sợi dây dẫn được mắc song song để giảm tổn thất do dịng điện xốy trong dây dẫn.
Bên ngồi dây quấn được bọc cách điện.
Dây quấn gồm nhiều vòng dây và được lồng vào trụ lõi thép. Giữa các lớp dây
quấn, giữa các dây quấn và giữa mỗi dây quấn và lõi thép phải được cách điện tốt với
nhau . Phần dây quấn nối với nguồn điện được gọi là dây quấn sơ cấp, phần dây quấn
nối với tải được gọi là dây quấn thứ cấp.
Máy biến áp thường có hai hoặc nhiều dây quấn. Khi các dây quấn đặt trên
cùng 1 trụ thì dây quấn sơ cấp đặt sát trụ thép, dây thứ cấp đặt lồng ra ngoài. Làm như
vậy sẽ giảm được vật liệu cách điện và khoảng cách cách điện với phần tiếp đất ( lõi
sắt), nên giảm được kích thước máy biến áp .
Các phần phụ khác :
Ngồi 2 bộ phận chính kể trên, để máy biến áp vận hành an tồn, hiệu quả, có độ
tin cậy cao ... máy biến áp cịn phải có các phần phụ khác như: Vỏ hộp, thùng dầu, đầu
vào, đầu ra, bộ phận điều chỉnh, khí cụ điện đo lường, bảo vệ ...
1.2. Cơng dụng của máy biến áp

Hình 2.3. Hệ thống truyền tải và phân phối điện
12


Trong hệ thống điện, máy biến áp dùng để truyền tải và phân phối điện năng. Các
nhà máy điện lớn thường ở xa các trung tâm tiêu thụ điện vì vậy phải xây dựng các

đường dây truyền tải điện năng. Thông thường điện áp đầu cực máy phát tối đa khoảng
vài chục kV, để truyền tải được công suất lớn và giảm tổn hao công suất trên đường
dây bằng cách nâng cao điện áp. Vì vậy ở đầu đường dây đặt máy biến áp tăng áp và
vì phụ tải chỉ có điện áp từ 0,4-6kV nên cuối đường dây đặt máy biến áp giảm áp.
2. Các đại lượng định mức
Các đại lượng định mức của máy biến áp qui định điều kiện kỹ thuật của máy.
Các đại lượng này do nhà máy chế tạo qui định và thường ghi trên nhãn máy biến áp.
2.1. Điện áp định mức ở cuộn dây thứ cấp và sơ cấp.
Điện áp sơ cấp định mức U1đm (V, kV): Là điện áp qui định cho dây quấn sơ
cấp.
Điện áp thứ cấp định mức U2đm (V, kV): Là điện áp của dây quấn thứ cấp khi
máy biến áp không tải và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp bằng định mức.
Chú ý : với máy biến áp một pha điện áp định mức là điện áp pha, còn máy
biến áp ba pha điện áp là điện áp dây.
2.2. Dòng điện định mức ở cuộn dây thứ cấp và sơ cấp.
Dòng điện định mức(A): Là dòng điện qui định cho mỗi cuộn dây máy biến áp
ứng với công suất định mức và điện áp định mức.
Với máy biến áp một pha:

I 1dm 

S dm
S
; I 2dm  dm ;
U 1dm
U 2dm

(2.1)

Với máy biến áp ba pha:

I1đm 

Sđm
Sđm
; I 2đm 
;
3U1đm
3U 2đm

(2.2)

2.3. Công suất biểu kiến định mức.
Công suất định mức Sđm (VA, kVA): Là công suất biểu kiến đưa ra ở dây quấn
thứ cấp của máy biến áp.
Với máy biến áp một pha: Sđm = U1đm.I1đm = U2đm.I2đm (2.3)
Với máy biến áp một pha: Sđm = √3.U1đm.I1đm = √3.U2đm.I2đm (2.4)
Hiệu suất MBA:
=

S2
U .I
= 2 2 = (75 - >90)%
S1
U 1 .I 1

(2.5)

Nếu  = 1  S1 = S2  U2đm. I2đm = U1đm. I1đm (2.6)
13

2.4. Tần số định mức.
Tần số định mức là tần số quy định cho phép máy biến áp làm việc. Người
ta quy định tần số là đại lượng lôn được giữ nguyên cả ở phía sơ cấp và thứ cấp.
Tần số định mức ký hiệu là fđm, đơn vị là Hz.
Ngồi ra trên máy biến áp cịn ghi các thơng số khác như: số pha m, sơ đồ và tổ
nối dây quấn, điện áp ngắn mạch Un%, chế độ làm việc, phương pháp làm mát,…
3. Nguyên lý làm việc của máy biến áp

Hình 2.4. sơ đồ nguyên lý máy biến áp một pha
I1: Dòng điện sơ cấp.
I2: Dòng điện thứ cấp.
U1: Điện áp sơ cấp.
U2: Điện áp thứ cấp.
W1=N1: Số vòng dây cuộn sơ cấp.
W2=N2: Số vòng dây cuộn thứ cấp.
: Từ thông cực đại sinh ra trong mạch từ.
Như hình vẽ nguyên lý làm việc của máy biến áp một pha có hai dây quấn
W1,W2.
Khi ta nối dây quấn sơ cấp w1 vào nguồn điện xoay chiều điện áp U1 sé có dịng
điện sơ cấp I1 chạy trong dây quấn sơ cấp w1. dòng điện I1 sinh ra từ thơng biến thiên
chạy trong lõi thép, từ thơng này móc vòng đồng thời với với cả 2 cuộn dây sơ cấp và
thứ cấp, và được gọi là từ thơng chính.

14


Theo định luật cảm ứng điện từ sự biến thiên của từ thông làm cảm ứng vào dây
quấn sơ cấp sức điện động cảm ứng là: e2  w2

d
dt

(2.7)

Cảm ứng vào dây quấn thứ cấp sức điện động cảm ứng là: e1   w1

d
dt

(2.8)

Trong đó w1 và w2 là số vòng dây của cuộn dây sơ cấp, thứ cấp.
Khi máy biến áp không tải dây quấn thứ cấp hở mạch, dịng điện i2 = 0, từ thơng
chính chỉ do cuộn dây w1 sinh ra có trị số đúng bằng dịng từ hóa.
Khi máy biến áp có tải, dây quấn thứ cấp nối với tải Zt dưới tác dụng của sức điện
động cảm ứng e2, dòng điện thứ cấp I2 cung cấp điện cho tải, khi đó từ thơng chính
trong lõi thép do đồng thời cả hai cuộn dây sinh ra.
Điện áp U1 biến thiên dạng sin nên từ thông chính cũng biến thiên cos.
e1   W1.

d ( m cos t )
  .W1. m sin t  Em1 sin t (2.9)
dt

e2   W2 .

d ( m cost )
 .W2 . m sin t  Em 2 sin t (2.10)

dt

Trong đó:
E1=4,44fW1Фm

(2.11)

E2=4,44fW2Фm (2.12)
E1, E2 là trị số sức điện động cảm ứng sơ cấp và thứ cấp
Sức điện động cảm ứng sơ cấp và thứ cấp có cùng tần số, nhưng trị hiệu dụng khác
nhau.
Nếu chia E1 cho E2 ta có: K 

E1 W1

E2 W2

(2.13)

K được gọi là hệ số biến áp.
Nếu bỏ qua điện trở dây quấn và từ thơng tản ngồi khơng khí có thể coi gần đúng
U1=E1,U2=E2 ta có:
K

U 1 E1 W1


(2.14)
U 2 E 2 W2

Đối với máy tăng áp: U2>U1;W2>W1
Đối với máy hạ áp: U2Nếu bỏ qua tổn hao trong máy biến áp, có thể coi gần đúng các quan hệ các đại lượng
sơ cấp và thứ cấp như sau: U2I2=U1I1.
Ví dụ 2.1: Cuộn dây của máy biền áp nối vào mạng điện 10000V, điện áp ở đầu cực
thứ cấp là 100V, tính tỷ số biến áp, số vòng của cuộn thứ cấp, nếu số vòng cuộn sơ cấp
là 21000.
Giải.
15


K
K

U 1 10000

 100
U2
100

W1
W
21000
 W2  1 
 210 (vòng)
W2
K
100

4. Các chế độ làm việc của máy biến áp

4.1 Chế độ làm việc không tải
Là trạng thái mà điện áp đưa vào sơ cấp là điện mức và phía thứ cấp hở mạch. Có
thể khái quát trạng thái như sau: U1 = U1đm; I2 = 0
Do không nối với tải (hở mạch phía thứ cấp) nên cuộn thứ cấp khơng tham gia trong
mạch. Mặt khác, tổng trở mach từ rất lớn hơn tổng trở cuộn dây sơ cấp nên có thể xem
như cuộn sơ cấp cũng không tồn tại, ta có các sơ đồ tương đương.
 Dịng điện khơng tải (dịng điện từ hóa):
I0 = Im =

U 1dm
= (3 –10)%. I1đm.
Zm

(2.15)

 Tổn hao khơng tải (tổn hao từ hóa):
P0 = I02. Rm = U1đm. I0. Cos0. (với: Cos0 =

R0 R m

). (2.16)
Z0 Zm

Công suất phản kháng không tải Q0 rất lớn so với công suất tác dụng không tải P0. Hệ
số công suất lúc không tải thấp.
R0

Cosφ0 =
R

2

0

 X0

2

P0


P

2

0

 Q 20

 0,1  0.3

(2.17)

 Từ những đặc điểm trên khi sử dụng khơng nên để máy ở tình trạng khơng tải hoặc
non tải.

Hình 2.5. Sơ đồ MBA khơng tải

16

 Kết luận: Khi MBA không tải vẫn tiêu thụ một lượng cơng suất tác dụng để từ
hóa mạch từ và tồn tại dịng điện khơng tải trong cuộn sơ cấp. Tổn hao không tải
thường gọi là tổn hao sắt từ:
P0 = P0 = PFe ; ΔPst = p1,0/50B2(f/50)1,3G (2.18)
Trong đó : P1,0/50 là cơng suất tổn hao trong lá thép khi tần số 50Hz và từ cảm 1T. Đối
với lá thép kỹ thuật điện 3413 dày 1,35 mm, P 1,0/50 = 0,6 W/kg.
B từ cảm trong thép (T)
G khối lượng trong thép (kg)
4.2 Chế độ làm việc có tải.
R1

X1

I1

I 2/

R2/

X2/

Im
Xm

U2/

U1P

ZTải

Rm

Hình 2.6. Sơ đồ thay thế của MBA 1 pha
Khi MBA mang tải điện áp trên tải sẽ sụt một lượng U so với lúc không tải,
lượng sụt áp này phụ thuộc vào độ lớn và tính chất của tải.
Đặc tính ngồi của MBA được biểu diễn như đồ thị :
Sin
U2

Tải cảmkháng

Sin >0

U2đm
U
U2

2 >0

Cos = Const
Cos

2 <0

I2
I2đm

Sin <0

Tải dung kháng

Hình 2.8. Tính chất tải của MBA

Hình 2.7. Đặc tính ngồi của MBA

Từ đồ thị ta được : U2 = U2đm – U (2.19)

17


U =  (UnR. Cos2 + UnX. Sin2)
(2.20)

U% =  (UnR% . Cos2 + UnX% . Sin2)
Với:
 =

I2
I 2 dm

=

S2
S 2 dm

(2.21)

Là hệ số phụ tải, đặc trưng cho độ lớn của phụ tải.
 Cos2: Hệ số công suất của phụ tải.

 2: Góc lệch pha giữa điện áp và dịng điện trên tải, đặc trưng cho tính chất phụ tải.
 Độ lớn phụ tải được thể hiện qua hệ số  như sau:
 Máy biến áp non tải: I2 < I2đm   < 1  U giảm; U2 tăng.
 Máy biến áp đầy tải: I2 = I2đm   = 1  U = Uđm ; U2 = const.
 Máy biến áp quá tải: I2 > I2đm   > 1  U tăng; U2 giảm.
 Tính chất phụ tải được thể hiện qua góc lệch pha 2 .
 Khi tải có tính cảm kháng: Sin > 0  U > 0  U2 < U2đm.
 Khi tải có tính dung kháng: Sin < 0  U < 0  U2 > U2đm.
4.3 Chế độ làm việc ngắn mạch.
 Khái niệm về hiện tượng:
MBA đang vận hành với các thơng số định mức mà phía thứ cấp bị ngắn mạch
thì gọi là ngắn mạch sự cố hay ngắn mạch vận hành. Trường hợp này sẽ gây nguy
hiểm cho máy bởi dòng điện ngắn mạch sinh ra cực lớn. Thông thường, người ta sử
dụng các thiết bị tự động (CB, FCO, máy cắt) để cắt MBA ra khỏi mạch khi gặp sự cố
nói trên.
Ngồi ngắn mạch sự cố, khi chế tạo và vận hành MBA người ta tiến hành ngắn
mạch thí nghiệm để kiểm nghiệm và xác định các thông số của máy.
I2 = INM

I1đm

I2 = INM = I1đm

U1 = UNM

U1 = U1đm

b. Ngắn mạch thí nghiệm
a. Ngắn mạch sự cố
Hình 2.9. Trạng thái ngắn mạch MBA

18


 Thí nghiệm ngắn mạch:
Là trạng thái mà phía thứ cấp được nối ngắn mạch và điện áp đưa vào sơ cấp
được giới hạn sao cho dòng điện ngắn mạch sinh ra bằng dòng điện sơ cấp định mức.
Trạng thái được khái quát:
U2 = 0; U1 = Un = (3 – 10)%U1đm;  I2 = IN = I1đm (2.22)
Khi tiến hành thí nghiệm ngắn mach, do điện áp nguồn rất thấp nên dịng điện
khơng tải I0 khơng đáng kể có thể bỏ qua (hở mạch từ hóa), nên sơ đồ thay thế có dạng
như hình vẽ:
R1

X1

IN = I1đm X2/

R2/

XN
Un

Un

I1đm

UnX

a

RN
UnR

b

Hình 2.10. Sơ đồ thay thế của MBA ngắn mạch

Đặt:

Rn = R1 + R2 / ;

 Tổng trở ngắn mạch:

Zn =

Xn = X1 + X2

(2.23)

Rn2  X n2 = U n . (2.24)
I 1dm

 Tổn hao ngắn mạch:
 Pn = I1đm2. Rn = Un. I1đm. Cosn. (với: Cos0 =

Rn
). (2.25)
Zn

 Nếu R1 = R2/; X1 = X2/ thì:
 R1 = R2/ =

Rn
2

 X1 = X2/ =

Xn
2

(2.26)
(2.27)

 Sụt áp trên các phần tử:
 UnR = I1đm. Rn. (2.28)
UnR% =

U nR
I
. 100 = 1dm Rn.100. (2.29)
U 1dm
U 1dm

 UnX = I1đm. Xn.
UnX% =

(2.30)

U nX

I
. 100 = 1dm Xn.100.
U 1dm
U 1dm

(2.31)

 Kết luận: Tổn hao ngắn mạch trong MBA chủ yếu là do 2 bộ dây quấn gây nên. Tổn
hao này còn gọi là tổn hao đồng:
19


Pn = PCu = PCu1 + PCu2 (2.32)
Ví dụ 2.2 : Một MBA 1 pha có SBA = 100KVA; KBA =

U1
10.000
=
; I0 = 0,05Iđm.
U2
400

Các tổn hao P0 = 800W; Pn = 2400W; Điện áp ngắn mạch thí nghiệm Un% = 4. Giã sử
R1 = R2/; X1 = X2/; R0 = Rm; X0 = Xm. Hãy tính:
a.
b.
c.
d.

Các tham số lúc khơng tải của máy.

Hệ số công suất lúc không tải.
Các tham số ngắn mạch của máy.
Vẽ sơ đồ thay thế của máy.
Giải:
a. Các tham số lúc khơng tải của máy:
Dịng điện sơ cấp định mức: I1đm =

100.10 3
S đm
=
= 10A.
U1đm
10.10 3

Dòng điện không tải: I0 = 0,05Iđm = 0,05. 10 = 0,5A.
Các tham số không tải:
Từ biểu thức P0 = I0đm. Rm.
 Điện trở mạch từ: Rm =

P0
I

=

2
0

800
= 3200.
0,6 2

Tổng trở mạch từ được tính: Zm =
 Điện kháng mạch từ: Xm =

U 1dm
10000
=
= 20.000.
0,5
I0

Z m2  Rm2 =

b. Hệ số công suất lúc không tải: Cos0 =

20.0002  32002 = 19.742.
Rm
3200
= 0,16.
=
Zm
20.000

c. Các tham số ngắn mạch:
Điện áp ngắn mạch thí nghiệm được tính: Un = 0,04. 10000 = 400V.
 Điện trở ngắn mạch: Rn =

Pn
I

2
1dm

=

 Điện trở các cuộn dây: R1 = R2/ =
Tổng trở ngắn mạch: Zn =

2400
= 24.
10 2
Rn
24
=
= 12.
2
2

Un
400
=
= 40.
I 1dm
10

 Điện kháng ngăn mạch: Xn =

Z n2  Rn2 =

 Điện kháng các cuộn dây: X1 = X2/ =

40 2  24 2 = 32.

Xn
32
=
= 16.
2
2
20


Điện áp trên các phần tử:
 Sụt áp trên điện trở:
UnR = I1đm. Rn = 10. 24 = 240V.
 Tính theo tỉ lệ phần trăm:
UnR% =

U nR
240
. 100 = 2,4%.
. 100 =
10.000
U 1dm

 Sụt áp trên điện kháng:
UnX = I1đm. Xn = 10. 32 = 320V.
 Tính theo tỉ lệ phần trăm:
UnX% =

U nX
320
. 100 =
. 100 = 3,2%.
U 1dm
10.000

d. Sơ đồ thay thế như hình vẽ

Hình 2.11. Sơ đồ thay thế của MBA1
5. Tổn hao năng lượng và hiệu suất của máy biến áp
5.1. Tổn hao năng lượng của máy biến áp
Khi máy biến áp làm việc sẽ có các tổn hao sau:
Tổn hao trên điện trở dây quấn sơ cấp và thứ cấp gọi là tổn hao đồng ∆Pđ
Tổn hao đồng phụ thuộc vào dòng điện tải:
∆Pđ = I21R1 + I22R2 = I21 . (R1 + R’2 )
= I21Rn = k2tPn
Trong đó Pn là cơng suất đo được trong thí nghiệm ngắn mạch .
Tổn hao sắt từ ∆Pst trong lỗi thép do dịng điện xốy và từ trễ gây ra. Tổn hao sắt từ
không phụ thuộc tải mà phụ thuộc vào từ thơng chính nghĩa là phụ thuộc vào điện áp.
Tổn hao sắt từ bằng công suất đo được khi làm thí nghiệm khơng tải.
∆Pst = P0
Hiệu st của máy biến áp: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. Máy biến áp 3 pha:
21


6.1 Khái niệm về máy biến áp ba pha.
MBA 3 pha dùng biến đổi nguồn điện xoay chiều 3 pha từ cấp điện áp này sang

cấp điện áp khác và giữ nguyên tần số. Cơ bản về mặt cấu tạo MBA 3 pha cũng bao
gồm các cuộn dây sơ cấp, thứ cấp quấn trên lõi thép.

Hình 2.12. MBA ba pha
Dây quấn sơ cấp được ký hiệu bằng các chữ in hoa : Pha A ký hiệu AX, pha B
ký hiệu BY, pha C ký hiệu CZ.
Dây quấn thứ cấp được ký hiệu bằng các chữ thường : Pha a ký hiệu ax, pha b
ký hiệu by, pha c ký hiệu cz.
Dây quấn sơ cấp và thứ cấp có thể nối hình sao hoặc tam giác. Nếu sơ cấp nối
hình sao, thứ cấp nối hình sao, có trung tính thì ta ký hiệu là Y/YN.
6.2. Tổ nối dây của máy biến áp 3 pha.
6.2.1. Khái niệm về cực tính của MBA 3 pha
Các cuộn dây trong MBA đều được qui ước cực tính; một đầu gọi là đầu đầu,
thì đầu kia là đầu cuối. Nếu chỉ có 1 cuộn dây thì việc xác định cực tính là khơng cần
thiết. Nhưng nếu có từ 2 cuộn dây trở lên cùng làm việc thì phải xác định chính xác
cực tính của chúng.
Cực tính cuộn dây sẽ quyết định chiều dòng điện chạy trong cuộn dây đó. Sau
khi đã qui ước cực tính cho 1 cuộn dây nào đó, thì các cuộn dây cịn lại xác định theo
qui ước đó.
Trên sơ đồ, đầu đầu của cuộn dây được đánh dấu (*), còn đầu cuối thì bỏ
trống.
6.2.2. Tổ đấu dây
Các cuộn dây của MBA 3 pha có thể đấu Y hoặc đấu  tùy vào điện áp định
mức của các cuộn dây và điện áp cần cấp cho tải.
Tổ đấu dây được hình thành do sự phối hợp cách đấu dây ở sơ cấp và thứ cấp.
Tổ đấu dây cho biết góc lệch pha giữa điện áp sơ cấp và điện áp thứ cấp, đồng thời
22


cũng xác định được điện áp định mức của các cuộn dây cũng như điện áp định mức

của MBA.
Tổ đấu dây Y/Y – 12: Sơ đồ được biểu diễn như hình vẽ 2.18a, có các đặc điểm:

Hình 2.13. Sơ đồ tổ đấu dây MBA ba pha
Số 12: Cho biết điện áp thứ cấp trùng pha với điện áp sơ cấp.
Tổ đấu dây này thường sử dụng cho các MBA phân phối ở mạng hạ thế.
Tổ đấu dây Y/ – 11: Sơ đồ được biểu diễn như hình 2.18b, có các đặc điểm:
Sơ cấp: Đấu Y, Thứ cấp: Đấu .
Số 11: Cho biết điện áp thứ cấp chậm pha 300 so với điện áp sơ cấp.
Qui ước xác định góc lệch pha: Dùng mặt số đồng hồ, với qui ước:
Kim dài: Biểu thị góc pha của điện áp sơ cấp đặt cố định ở số 12.
Kim ngắn: Là góc lệch pha của điện áp thứ cấp (so với sơ cấp) di chuyển ở các con số
còn lại, mỗi con số cách nhau là 300. Hình vẽ 2.19a biểu thị góc lệch pha của tổ đấu
dây Y/Y – 12, cịn hình 2.19b biểu thị góc lệch pha của tổ đấu dây Y/ – 11
12

12

U1

U1

U2

U2
3

9

3

9

6

6

b.Góc lệch pha tổ đấu dây Y/ - 11

a.Góc lệch pha tổ đấu dây Y/Y - 12

Hình 2.14. Góc lệch pha của tổ đấu dây MBA 3 pha
Tỉ số biến áp :
Trong MBA 3 pha các đại lượng định mức đều được tính bằng đại lượng dây. Ta gọi
số vòng dây quấn sơ cấp là N1, thứ cấp là N2 từ đó ta có tỉ số MBA là :
23


K3P =

U d 1 N1
(2.32)
=
Ud2 N2

 Khi MBA sử dụng tổ đấu dây Y/  – 11: sơ cấp nối sao Ud1 =

3.U P1 , thứ cấp nối tam

giác Ud2 = Up2 ta có tỉ số máy biến áp sau:

K3P =

U d1
=
Ud2

3.U P1
=
U P2

3.

N1
N2

(2.33)

 Khi MBA sử dụng tổ đấu dây Y/ Y – 12: sơ cấp nối sao Ud1 =

3.U P1 , thứ cấp nối sao

Ud2 =2 3.U P1 ta có tỉ số máy biến áp sau:
K3P =

U d1
=
Ud2

N
3.U P1

= 1
N2
3.U p 2

(2.34)

Kết luận: Tỉ số biến áp ở máy biến áp 3 pha không chỉ phụ thuộc số vòng quấn mà
còn phụ thuộc tổ đấu dây.
 Nếu các đại lượng pha của máy là xác định, khi thay đổi tổ đấu dây thì phải
thay đổi nguồn điện đặt vào MBA và điện áp ra của máy cũng sẽ thay đổi.
 Ngược lại, khi nguồn điện và điện áp cần cấp cho tải đã xác định, thì phải tiến
hành chọn tổ đấu dây phù hợp với yêu cầu.
7. Đấu các máy biến áp làm việc song song:
7.1. Khái niệm về chế độ làm việc của máy biến áp đấu song song.
Trong hệ thống điện thường sử dụng hệ thống các MBA đấu song song, bởi các
lý do:
 Khi nối song song sẽ làm tăng dung lượng của hệ thống các MBA nên công
suất truyền tải sẽ được nâng cao.
 Thuận lợi cho việc bảo trì, bảo dường sửa chữa hư hỏng (có thể sửa chữa trên
một máy nào đó, các máy cịn lại vẫn vận hành bình thường).
 Có ý nhĩa trong việc vận hành kinh tế các MBA (khi tải giảm thì cắt dần các
MBA ra khỏi mạng).
7.2 Điều kiện đấu song song máy biến áp
Các MBA khi thực hiện nối song song phải thỏa mãn đồng thời các điều kiện sau
đây:
 Cùng cấp điện áp: Các MBA thực hiện đấu song song phải có cùng cấp điện
áp ở sơ cấp và thứ cấp.
U1I = U1II ; U2I = U2II
Nghĩa là tỷ số 2 máy biến áp phải bằng nhau: kI = kII
Trong đó kI là hệ số máy I, kII là hệ số máy II.

Trong thực tế cho phép hệ số k của các máy biến áp khác nhau không quá 0.5%.
24


 Cùng tổ đấu dây: Các MBA thành phần phải cùng tổ đấu dây để đẩm bảo điện
áp thứ cấp của các MBA là cùng pha nhau.
Ví dụ khơng cho hai máy biến áp có tổ nối dây Y/ - 11 và Y/Y – 12 làm việc song
song vì điện áp thứ cấp của 2 máy này không trùn pha nhau.
* Điều kiện 1 và 2 đảm bảo cho không có dịng điện cân bằng lón chạy quẩn trong các
máy do sự chênh lệch điện áp thứ cấp của chúng.
 Cùng giá trị Un%: Điều kiện này phải đảm bảo để phụ tải phân bố trên các
máy tỉ lệ với dung lượng của chúng.
UNI% = UNI%= ....
Trong đó UNI% là điện áp ngắn mạch phần trăm của máy I, UNII% là điện áp ngắn mạch
phần trăm của máy II.
* Cần đảm bảo điều kiện này để tải phân bố trên các máy tỷ lệ với công suất định mức
của chúng.
7.3 Sơ đồ đấu song song các máy biến áp.
Theo hình vẽ, có 2 MBA nối song song; giả sử: Un%I < Un%II
Dòng điện qua MBAI là IđmI còn dòng điện qua MBA II là IđmII.

(*)

 Sụt áp trên MBA I: UI = IđmI. ZnI. (2.38)
 Sụt áp trên MBA II: UII = III. ZnII. (2.39)
 Thay vào (*), ta được: IđmI. ZnI < IđmII. ZnII . Kết hợp với (**) ta được III < IđmII
IđmI
III

BA II

BAI

Hình 2.15. Nối song song các MBA
Kết luận: Nếu các MBA đấu song song có Un% khác nhau thì trong quá trình làm
việc, máy nào có Un% nhỏ hơn sẽ phải mang tải nhiều hơn.
Hệ quả:
 Nếu các MBA thành phần có cùng dung lượng và đã thỏa 2 điều kiện đầu tiên thì
khơng cần phải xét đến điều kiện Un%.
25