Giáo trình Máy điện (Nghề: Điện công nghiệp - Trình độ CĐ/TC) - Trường Cao đẳng Nghề An Giang

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:106

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Máy điện gồm các nội dung chính như: Khái niệm chung về máy điện; máy biến áp; máy điện không đồng bộ; máy điện đồng bộ; máy điện một chiều. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Máy điện (Nghề: Điện công nghiệp - Trình độ CĐ/TC) - Trường Cao đẳng Nghề An Giang

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH AN GIANG TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ AN GIANG GIÁO TRÌNH MÁY ĐIỆN NGHỀ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP Trình độ trung cấp/cao đẳng (Ban hành theo Quyết định số: 568/QĐ-CĐN ngày 21 tháng 5 năm 2018 của Hiệu trưởng trường Cao đẳng nghề An Giang) Năm 2018
LỜI GIỚI THIỆU TÀI LIỆU Máy điện là ngành kỹ thuật ứng dụng các hiện tượng điện từ để biến đổi năng lượng, điều khiển, xử lý tín hiệu. Năng lượng điện ngày nay trở nên rất cần thiết và đóng vai trò vô cùng quan trọng trong đời sống và sản xuất của con người. Với chương trình môn học 60 tiết, cuốn giáo trình này cung cấp cho học sinh sinh viên những hiểu biết cơ bản nhất về máy điện. Vì những điều cơ bản cho nên nhiều chỗ có tính chất tóm lược. Trong nội dung được trình bày có phần lý thuyết chung có phần bài tập nhưng lồng vào đó những kinh nghiệm, những bài học rút ra từ thực tế. Trong quá trình biên soạn bản thân đã cố gắng rút gọn, cô đọng các vấn đề và đưa vào một số mẫu bài tập, xác định những hư hỏng cụ thể cho phù hợp với trình độ học sinh sinh viên và hình thức đào tạo của trường. Giáo trình Máy điện này được biên soạn nhằm cung cấp cho học sinh sinh viên các ngành chuyên ngành điện các kiến thức xoay quanh các vấn đề chính như sau: 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 Kèm theo mỗi chương, có một số bài tập áp dụng phần lý thuyết đã học, giúp học sinh sinh viên rèn luyện kỹ năng tính toán máy điện. Mỗi cán bộ giáo viên phải có những kiến thức nhất định về máy điện để nâng cao sự hiểu biết chung và phục vụ tốt cho chuyên ngành của mình. Khi biên soạn giáo trỉnh này chúng tôi đã được sự ủng hộ của Ban Giám Hiệu đặc biệt là tổ bộ môn và sự giúp đỡ của đồng nghiệp. Hiện nay giáo trình tham khảo về máy điện có nhiều nhưng mỗi giáo trình đó phải thích hợp cho từng đơn vị và từng cấp học. Vì trình độ chuyên môn và kinh nghiệm có hạn nên việc biên soạn giáo trình này không gặp ít khiếm khuyết. Chúng tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô cùng các học sinh sinh viên. Xin chân thành cám ơn. An Giang, ngày 15 tháng 03 năm 2018 Tham gia biên soạn Chủ biên Trần Đức Anh
MỤC LỤC Trang GIỚI THIỆU TÀI LIỆU 1 BÀI 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN I. CÁC ĐỊNH LUẬT ĐIỆN TỪ DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN 4 II. ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN 5 III. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC MÁY ĐIỆN 7 IV. SƠ LƯỢC VỀ CÁC LOẠI VẬT LIỆU CHẾ TẠO MÁY ĐIỆN 7 V. PHÁT NÓNG & LÀM MÁT MÁY ĐIỆN 9 Câu hỏi ôn tập : 9 BÀI 2: MÁY BIẾN ÁP I. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 10 II. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐỊNH MỨC CỦA MÁY BIẾN ÁP 13 III. CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 13 IV. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP 17 V. MÔ HÌNH TOÁN & SƠ ĐỒ THAY THẾ CỦA MÁY BIẾN ÁP 19 VI. CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP 22 VII. TỔN HAO & HIỆU SUẤT CỦA MÁY BIẾN ÁP 28 VIII. MÁY BIẾN ÁP BA PHA 29 IX. MÁY BIẾN ÁP LÀM VIỆC SONG SONG 32 X. CÁC MÁY BIẾN ÁP ĐẶC BIỆT 35 XI. CÁC SỰ CỐ THÔNG THƯỜNG XẢY RA TRONG MÁY BIẾN ÁP 39 Câu hỏi ôn tập : 40 Bài tập máy biến áp : 40 BÀI 3: MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ I. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 47 II. CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 49 III. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 53 IV. MÔ HÌNH TOÁN & SƠ ĐỒ THAY THẾ CỦA ĐCĐKĐB 3 PHA 55 V. MÔMEN QUAY CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA 59 VI. MỞ MÁY ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA 62 VII. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 65 VIII. ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ MỘT PHA 67 IX. XÁC ĐỊNH CỰC TÍNH ĐCĐKĐB 3 PHA 71 X. NHỮNG HƯ HỎNG THƯỜNG GẶP Ở ĐCĐKĐB 1 PHA 71 XI. NHỮNG HƯ HỎNG THƯỜNG GẶP Ở ĐCĐKĐB 3 PHA 73 Câu hỏi ôn tập : 74 Bài tập động cơ điện không đồng bộ: 74 BÀI 4: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ I. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 78 II. CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 79 III. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 81 IV. CÁC ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 81 V. SỰ LÀM VIỆC SONG SONG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 82 VI. ĐỘNG CƠ VÀ MÁY BÙ ĐỒNG BỘ 85 Câu hỏi ôn tập : 87
BÀI 5: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU I. ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 88 II. CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 89 III. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CƠ BẢN CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 91 IV. TỪ TRƯỜNG VÀ SỨC ĐIỆN ĐỘNG CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 93 V. CÔNG SUẤT ĐIỆN TỪ, MÔMEN ĐIỆN TỪ 94 VI. TIA LỬA ĐIỆN TRÊN CỔ GÓP VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC 95 VII. MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU 96 VII. ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 99 Câu hỏi ôn tập : 102 Bài tập máy điện một chiều 102
BÀI 1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN Mục tiêu của bài: Phát biếu về sự khác nhau của các loại máy điện hiện đang hoạt động theo cấu tạo theo nguyên tắc hoạt động, theo loại dòng điện . . . Giải thích quá trình phát nóng và làm mát của máy điện đang hoạt động, theo nguyên tắc định luật về điện. I. CÁC ĐỊNH LUẬT ĐIỆN TỪ DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN Trong nghiên cứu máy điện ta thường dùng các định luật sau: định luật cảm ứng điện từ, định luật lực điện từ và định luật mạch từ. Các định luật này đã được trình bày trong giáo trình vật lý, ở đây nêu lại những điểm chính áp dụng cho nghiên cứu máy điện. 1. Định luật lực điện từ Lực điện từ có ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật, và là cơ sở để chế tạo máy điện, khí cụ điện. Thực nghiệm chứng tỏ rằng đặt một dây dẫn thẳng có dòng điện vuông góc với đường sức của từ trường đều, sẽ xuất hiện lực điện từ tác dụng lên dây dẫn xác định như sau: + Trị số lực tỉ lệ với cường độ từ cảm, chiều dài dây dẫn đặt trong từ trường (gọi là chiều dài tác dụng) và cường độ dòng điện. F = B.l.i (1-1) Ở đây: F: lực điện từ (N). l: chiều dài tác dụng (m). B: cường độ từ cảm (T). i: cường độ dòng điện (A). + Phương và chiều lực điện từ xác định theo quy tắc bàn tay trái (hình 1-1); ngửa bàn tay trái cho đường sức từ (hoặc véctơ từ cảm B) xuyên qua lòng bàn tay, chiều bốn ngón tay duỗi thẳng theo chiều dòng điện thì ngón tay cái duỗi ra chỉ chiều lực điện từ. Trường hợp dây dẫn không đặt vuông góc mà lệch nhau một góc ≠ 900 thì trị số lực F được xác định bởi công thức: F = B.l.i.sin (1-2) 2. Định luật cảm ứng điện từ Năm 1831, nhà vật lý học người Anh là Michel Faraday phát hiện ra hiện tượng cảm ứng điện từ, một hiện tượng cơ bản của kỹ thuật điện. Nội dung của hiện tượng đó là: khi từ thông biến thiên bao giờ cũng kèm theo sự xuất hiện một sức điện động, gọi là sức điện động cảm ứng. a) Trường hợp từ thông biến thiên xuyên qua vòng dây Năm 1833, nhà vật lý học người Nga là Lenx đã phát hiện ra quy luật về chiều sức điện động cảm ứng và do đó định luật cảm ứng điện từ được phát biểu như sau: khi từ thông Φ biến thiên xuyên qua một vòng dây, sẽ làm xuất hiện một sức điện động gọi là sức điện động cảm ứng trong vòng dây. Sức điện động này có chiều sao cho dòng điện do nó sinh ra tạo thành từ thông có tác dụng chống lại sự biến thiên từ thông đã sinh ra nó. 4
Định luật này có thể viết dưới dạng phương trình Maxwell: dΦ e=- (1-3) dt Dấu  trên hình (1-2) chỉ chiều của Φ đi từ ngoài vào trong. Nếu cuộn dây có W vòng, sức điện động cảm ứng của cuộn dây là: dΦ dΨ e = -W =- (1-4) dt dt Trong đó:  = WΦ gọi là từ thông móc vòng của cuộn dây. Đơn vị của từ thông là Webe (Wb), sức điện động là votl (V). b) Trường hợp thanh dẫn chuyển động trong từ trường Hình vẽ (1-3) biểu diễn một thanh dẫn chuyển động trong từ trường của một nam châm vĩnh cửu. Khi thanh dẫn chuyển động thẳng góc với các đường sức của từ trường đều B với vận tốc v, trong thanh dẫn sẽ cảm ứng sức điện động e và có trị số: e = B.l.v (1-5) Trong đó: B: cường độ từ cảm (T). l: chiều dài hiệu dung của thanh dẫn (m). v: vận tốc thanh dẫn (m/s). Chiều dài của sức điện động cảm ứng được xác định theo quy tắc bàn tay phải (hình 1-3); ngửa bàn tay phải cho đường sức từ (hoặc véctơ từ cảm B) xuyên qua lòng bàn tay, ngón tay cái duỗi thẳng ra vuông góc theo chiều quay của thanh dẫn, thì chiều bốn ngón tay duỗi thẳng ra chỉ chiều sức điện động e. II. ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN 1. Định nghĩa máy điện Máy điện là thiết bị điện từ, nguyên lý làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ. Về cấu tạo máy điện gồm mạch từ (lõi thép) và mạch điện (các dây quấn), dùng để biến đổi năng lượng như cơ năng thành điện năng (máy phát điện) hoặc ngược lại biến đổi điện năng thành cơ năng (động cơ điện), hoặc dùng để biến đổi thông số điện như biến đổi điện áp, dòng điện, tần số, số pha,… Máy điện là máy thường gặp nhiều trong các ngành kinh tế như công nghiệp, giao thông vận tải,... và trong các dụng cụ sinh hoạt gia đình. 2. Phân loại máy điện Dựa vào nguyên lý biến đổi năng lượng máy điện được phân loại thành hai loại chính sau: a) Máy điện tĩnh 5
Máy điện tĩnh làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, do sự biến đổi từ thông trong các cuộn dây không có sự chuyển động tương đối với nhau. Thường dùng để biến đổi các thông số điện năng như máy biến áp biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp xoay chiều có giá trị khác,… và được phân loại như sau: - Theo công dụng: + Máy biến áp điện lực: Dùng trong truyền tải phân phối điện năng. + Máy biến áp đo lường: Dùng trong kĩ thuật đo lường. + Máy biến áp hàn: Dùng trong kĩ thuật hàn. + Máy biến áp âm tần, cao tần: Dùng trong kĩ thuật điện tử. + Máy biến áp lò: Dùng trong các lò luyện kim. - Theo số pha: + Máy biến áp một pha. + Máy biến áp 3 pha. b) Máy điện quay 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 cơ năng thành điện năng (máy phát điện) hoặc biến đổi điện năng thành cơ năng (động cơ điện). Quá trình biến đổi có tính chất thuận nghịch. Máy điện quay được phân loại như sau: - Máy điện xoay chiều: + Máy điện không đồng bộ (MKĐB): động cơ không đồng bộ (ĐKĐB); máy phát không đồng bộ (MFKĐB). + Máy điện đồng bộ (MĐB): động cơ đồng bộ (ĐĐB); máy phát đồng bộ (MFĐB). - Máy điện một chiều: + Động cơ một chiều (ĐMC). + Máy phát một chiều (MFMC). Hình 1-5. Sơ đồ phân loại máy điện. 6
III. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC MÁY ĐIỆN Máy điện có tính thuận nghịch nghĩa là nó có thể làm việc ở chế độ máy phát điện hoặc động cơ điện. 1. Nguyên lý làm việc của máy phát điện Cho cơ năng của động cơ sơ cấp vào thanh dẫn một lực cơ học F cơ thanh dẫn sẽ chuyển động với tốc độ trong từ trường của nam châm N-S trong thanh dẫn sẽ cảm ứng sức điện động e. Nếu nối vào 2 cực của thanh dẫn điện trở R tải, sẽ có 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 của máy phát cung cấp cho tải là: p = ui = ei (1-6) Dòng điện i nằm trong từ trường sẽ chịu tác dụng của một lực điện từ Fđt = B.l.i có chiều như như hình vẽ 1-6. Khi máy quay với tốc độ không đổi lực điện từ sẽ cân bằng với lực cơ của động cơ sơ cấp: Fcơ = Fđt, máy sẽ quay đều. Nhân hai vế của biểu thức trên với tốc độ v ta có: Fcơ.v = Fđt.v = B.i.l.v = e.i (1-7) Điều này có nghĩa là, công suất cơ của động cơ sơ cấp Pcơ =Fcơ.v đã được biến đổi thành công suất điện Pđ = e.i, tức là cơ năng biến thành điện năng ở máy phát điện. 2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện Cung cấp điện cho máy phát điện, điện áp u của nguồn điện sẽ gây ra dòng điện i chạy trong thanh dẫn. Dưới tác dụng của từ trường sẽ có lực điện từ Fđt = B.l.i tác dụng lên thanh dẫn chuyển động với tốc độ v có chiều như hình 1-7. Như vậy công suất điện Pđ = u.i đưa vào động cơ đã được biến thành công suất cơ Pcơ = Fđt.v trên trục động cơ. Điện năng đã biến đổi thành cơ năng. 3. Tính thuận nghịch của máy điện. Qua các mục (1) và (2) ta nhận thấy, cùng một thiết bị điện từ (thanh dẫn đặt trong từ trường nam châm N-S), tùy theo năng lượng đưa vào (cơ năng hay điện năng) mà máy điện có thể làm việc ở chế độ máy phát điện hay động cơ điện. Đây chính là tính thuận nghịch của máy điện. Mọi loại máy điện đều có tính thuận nghịch. IV. SƠ LƯỢC VỀ CÁC LOẠI 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, vật liệu kết cấu. 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 không đắt lắm và có điện trở suất nhỏ. Ngoài ra còn dùng nhôm và các hợp kim khác như đồng thau, đồng phốt pho. - Đối với các bộ phận khác như vành đổi chiều, lồng sóc, hoặc vành trượt, ngoài đồng, nhôm người ta còn dùng cả các hợp kim của đồng hoặc nhôm, hoặc có chỗ còn dùng cả thép để tăng độ bền cơ học và giảm kim loại màu. 7
2. Vật liệu dẫn từ. Vật liệu dẫn từ dùng để chế tạo các bộ phận của mạch từ: - Ở đoạn mạch từ có từ thông biến đổi với tần số 50Hz thường dùng thép lá kỹ thuật điện dày 0,35  0,5 mm. - Ở tần số cao hơn, dùng thép lá kỹ thuật điện dày 0,1  0,2 mm. - Thép lá kỹ thuật điện được chế tạo bằng phương pháp cán nóng và cán nguội. - Ở đoạn mạch từ có từ trường không đổi, thường dùng thép đúc, thép rèn hoặc thép lá. 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. - Độ bền vững về nhiệt của chất cách điện bọc dây dẫn quyết định nhiệt độ cho phép của dây và do đó quyết định tải của nó. - Nếu tính năng chất cách điện cao thì lớp cách điện có thể mỏng và kích thước của máy giảm. - Chất cách điện của máy 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 thủy tinh. + Các chất tổng hợp. + Các loại men, sơn cách điện. Chất cách điện tốt nhất là mica, song tương đối đắt nên chỉ dùng trong các máy điện có điện áp cao. Thông thường dùng các vật liệu có sợi như giấy, vải, sợi,… Chúng có độ bên cơ học tốt, mềm, rẻ tiền nhưng dẫn nhiệt xấu, hút ẩm, cách điện kém. Căn cứ vào độ bền cơ nhiệt, vật liệu cách điện được chia ra nhiều loại cấp các điện sau: Cấp Nhiệt độ giới hạn Nhiệt độ trung cách Vật liệu cho phép vật liệu bình cho phép dây điện (0C) quấn (0C) Bông, giấy, vải, tơ lụa, sợi tổng hợp Y không qua tẩm sấy hoặc sơn cách 90 85 điện Sợi xenlulô, bông hoặc tơ tẩm trong A 105 100 vật liện cơ lỏng. E Vài loại màng tổng hợp. 120 115 Amiăng, sợi thủy tinh có chất kết B 130 120 dính và vật liệu gốc mica. Amiăng, vật liệu gốc mica, sợi thủy F tinh có chất kết dính và tẩm tổng 155 140 hợp. Vật liệu gốc mica, amiăng, sợi thủy H tinh phối hợp chất kết dính và tẩm 180 165 silic hữu cơ. Vật liệu gốc mica, thủy tinh và các C hợp chất của chúng dùng trực tiếp > 180 không có chất liên kết Ngoài ra còn có chất cách điện ở thể khí (không khí, hydro) hoặc thể lỏng (dầu máy biến áp). 8
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. V. PHÁT NÓNG & LÀM MÁT MÁY ĐIỆN Trong quá trình làm việc có tổn hao công suất. Tổn hao trong máy điện gồm tổn hao sắt từ (do hiện tượng từ trễ và dòng điện xoáy) trong thép, tổn hao đồng trong điện trở dây quấn và tổn hao do ma sát (ở máy điện quay). Tất cả tổn hao 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 không khí xung quanh hoặc của môi trường làm mát khác như dầu biến áp,... Thường vỏ máy điện được chế tạo có các cánh tản nhiệt và máy điện có hệ thống quạt gió để làm mát. Kích thước của máy, phương pháp làm mát, phải được tính toán và lựa chọn để cho độ tăng nhiệt của vật liệu cách điện trong máy không vượt quá độ tăng nhiệt cho phép, đảm bảo cho vật liệu cách điện làm việc lâu dài 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 quá nhiệt độ cho phép, vì thế không cho phép quá tải lâu dài. Câu hỏi ôn tập : 1. Giải thích ứng dụng của định luật cảm ứng điện từ trong máy điện? 2. Giải thích ứng dụng của định luật lực điện từ trong máy điện? 3. Định nghĩa máy điện? Cách phân loại máy điện? 4. Giải thích nguyên lý thuận nghịch của máy điện? 5. Các vật liệu chế tạo máy điện là gì? 9
BÀI 2 MÁY BIẾN ÁP Mục tiêu của bài: Mô tả cấu tạo, phân tích nguyên lý làm việc của máy biến áp một pha và máy biến áp ba pha. Xác định cực tính và đấu dây vận hành máy biến áp một pha và máy biến áp ba pha Đấu máy biến áp vận hành song song với các máy biến áp. Tính toán thông số của máy biến áp một pha và máy biến áp ba pha đúng kỹ thuật Chọn lựa máy biến áp phù hợp với mục đích sử dụng, bảo dưỡng và sửa chữa máy biến áp theo yêu cầu. I. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP Để biến đổi điện áp của dòng điện xoay chiều từ điện áp cao xuống điện áp thấp, hoặc ngược lại từ điện áp thấp lên điện áp cao, ta dùng máy biến áp. Ngày nay do việc sử dụng điện năng phát triển rất rộng rãi, nên có những loại máy biến áp khác nhau: máy biến áp 1 pha, ba pha nhưng chúng dựa trên cùng một nguyên lý đó là định luật cảm ứng điện từ. 1. Ñònh nghóa Maùy bieán aùp laø moät thieát bò ñieän töø tónh, laøm vieäc theo nguyeân lyù caûm öùng ñieän töø, duøng ñeå bieán ñoåi ñieän aùp cuûa heä thoáng doøng ñieän xoay chieàu nhöng vaãn coù giöõ nguyeân taàn soá. Heä thoáng ñieän ñaàu vaøo maùy bieán aùp ( tröôùc luùc bieán ñoåi) coù: ñieän aùp U 1, doøng ñieän I1, taàn soá f. heä thoáng ñaàu ra cuûa maùy bieán aùp ( sau khi bieán ñoåi) coù: ñieän aùp U2, doøng ñieän I2 vaø taàn soá f. Trong caùc baûn veõ , maùy bieán aùp ñöôïc kyù hieäu nhö hình. Ñaàu vaøo cuûa maùy bieán aùp noái vôùi nguoàn ñieän, ñöôïc goïi laø sô caáp. Ñaàu ra noái vôùi taûi goïi laø thöù caáp. Caùc ñaïi löôïng, caùc thoâng soá sô caáp trong kyù hieäu coù ghi chæ soá 1: soá voøng daây sô caáp w1, ñieän aùp sô caáp U1, doøng ñieän sô caáp I1, coâng suaát sô caáp P1. Caùc ñaïi löôïng vaø thoâng soá thöù caáp chæ soá 2: voøng daây thöù caáp w 2, ñieän aùp thöù caáp U2, doøng ñieän thöù caáp I2, coâng suaát thöù caáp P2. Neáu ñieän aùp thöù caáp lôùn hôn ñieän aùp sô caáp laø maùy bieán aùp taêng aùp. Neáu ñieän aùp thöù caáp nhoû hôn ñieän aùp sô caáp goïi laø maùy bieán aùp giaûm aùp. 2. Vai troø vaø coâng duïng maùy bieán aùp Ñeå daãn ñieän töø nhaø maùy phaùt ñieän ñeán caùc hoä tieâu thuï caàn phaûi coù ñöôøng daãn truyeàn taûi ñieän nhö hình veõ sau : Hình 2-1. Sơ đồ cung cấp điện đơn giản. 10
Neáu khoaûng caùch töø nôi saûn xuaát ñieän caùc hoä tieâu thuï ñieän lôùn , moät vaán ñeà ñaët ra laø vieäc truyeàn taûi ñieän naêng ñi xa laøm sao cho kinh teá nhaát P Ta coù doøng ñieän truyeàn taûi treân ñöôøng daây : I = (2.1) U  COS Vaø toån hao coâng suaát treân ñöôøng daây : 2  P  Rd  P 2 P = Rd .  I = Rd   2  = (2.2)  U  COS  (U 2  COS 2 ) Töø coâng thöùc treân cho ta thaáy , cuøng moät coâng suaát truyeàn taûi treân ñöôøng daây , neáu ñieän aùp truyeàn taûi caøng cao thì doøng ñieän chaïy treân ñöôøng daây caøng beù , do ñoù troïng löôïng vaø chi phí daây daãn seõ giaûm xuoáng , tieát kieäm ñöôïc kim loaïi maøu , ñoàng thôøi toån hao naêng löôïng seõ giaûm xuoáng treân ñöôøng daây . Vì theá muoán truyeàn taûi coâng suaát lôùn ñi xa ít toån hao vaø tieát kieäm kim loaïi maøu ngöôøi ta phaûi duøng ñieän aùp cao thöôøng laø 35 , 110 , 220 , 500 kV . Treân thöïc teá maùy phaùt ñieän ra töø 3  21 kV , do ñoù phaûi coù thieát bò taêng ñieän aùp ôû ñaàu ñöôøng daây . Maët khaùc caùc hoä tieâu thuï thöôøng yeâu caàu ñieän aùp thaáp töø 0,4  6 kV , vì vaäy cuoái ñöôøng daây phaûi coù thieát bò giaûm ñieän aùp xuoáng . Thieát bò taêng ñieän aùp ôû ñaàu ñöôøng daây vaø giaûm ñieän aùp cuoái ñöôøng daây goïi laø maùy bieán aùp Maùy bieán aùp coù vai troø quan troïng heä thoáng ñieän , duøng ñeå truyeàn taûi vaø phaân phoái ñieän naêng . Ngoaøi ra maùy bieán aùp coøn ñöôïc söû duïng trong caùc thieát bò loø nung (maùy bieán aùp loø); trong haøn ñieän (maùy bieán aùp haøn); laøm nguoàn cho caùc thieát bò ñieän, ñieän töû caàn nhieàu caáp ñieän aùp khaùc nhau; trong lónh vöïc ño löôøng (maùy bieán ñieän aùp, maùy bieán doøng) 3. Caùc loaïi maùy bieán aùp chính Maùy bieán aùp ñieän löïc ñeå truyeàn taûi vaø phaân phoái coâng suaát trong heä thoáng ñieän löïc . Maùy bieán aùp chuyeân duøng söû duïng ôû loø luyeän kim , caùc thieát bò chænh löu , maùy bieán aùp haøn . . . Maùy bieán aùp thí nghieäm duøng ñeå thí nghieäm ñieän aùp cao Maùy bieán aùp töï ngaãu duøng ñeå môû maùy ñoäng cô khoâng ñoàng boä coâng suaát töông ñoái lôùn . Maùy bieán aùp ño löôøng duøng ñeå giaûm caùc ñieän aùp vaø doøng ñieän lôùn ñöa vaøo caùc duïng cuï ño tieâu chuaån . 11
Hình 2-2. Các loại máy biến áp 12
II. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐỊNH MỨC CỦA MÁY BIẾN ÁP Caùc ñaïi löôïng cuûa maùy bieán aùp do xöôûng cheá taïo maùy bieán aùp quy ñònh ñeå cho maùy coù khaû naêng laøm vieäc laâu daøi vaø toát nhaát . 1. Ñieän aùp ñònh möùc : Ñieän aùp sô caáp ñònh möùc kyù hieäu U1ñm laø ñieän aùp quy ñònh cho daây quaán sô caáp , ñieän aùp thöù caáp ñònh möùc kyù hieäu U2ñm laø ñieän aùp quy ñònh cho daây quaán thöù caáp , khi daây quaán thöù caáp hôû maïch vaø ñieän aùp ñaët vaøo daây quaán sô caáp laø ñònh möùc . Ngöôøi ta quy öôùc , vôùi maùy bieán aùp moät pha ñieän aùp ñònh möùc laø ñieän aùp pha , vôùi maùy bieán aùp 3 pha laø ñieän aùp daây . 2. Doøng ñieän ñònh möùc : Doøng ñieän ñònh möùc laø doøng ñieän quy ñònh cho moãi daây quaán cuûa maùy bieán aùp , öùng vôùi coâng suaát ñònh möùc vaø ñieän aùp ñònh möùc , doøng ñieän sô caáp ñònh möùc kyù hieäu I1ñm , doøng ñieän thöù caáp ñònh möùc kyù hieäu I2ñm . Ngöôøi ta quy öôùc vôùi maùy bieán aùp moät pha , doøng ñieän ñònh möùc laø doøng ñieän pha , vôùi maùy bieán aùp ba pha , doøng ñieän ñònh möùc laø doøng ñieän daây . 3. Coâng suaát bieåu kieán ñònh möùc Ñoái vôùi maùy bieán aùp moät pha laø : S dm = U 2 dm .I 2 dm = U 1dm .I 1dm (2.3) Ñoái vôùi maùy bieán aùp ba laø : S dm = 3.U 2 dm .I 2 dm = 3.U 1dm .I 1dm (2.4) Ngoaøi ra treân bieån maùy coøn ghi taàn soá ñònh möùc fñm , soá pha , sô ñoà noái daây, ñieän aùp ngaén maïch, cheá ñoä laøm vieäc . . . III. CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP Máy biến áp có các bộ phận chính sau đây: + Lõi thép. + Dây quấn. + Vỏ máy. Hình 2-3. Cấu tạo máy biến áp 13
1. Lõi thép máy biến áp Hình 2-4. 1). Trụ từ; 2). Gông từ. Lõi thép máy biến áp dùng để dẫn từ thông chính của máy, được tạo từ những vật liệu dẫn từ tốt, thường là các lá thép kỹ thuật điện (tấm thép kỹ thuật dày từ 0,35 mm đến 0,5 mm, hai mặt có sơn cách điện) ghép lại với nhau. Lõi thép dùng làm mạch dẫn từ, đồng thời làm khung để quấn dây. Lõi thép gồm hai phần trụ (T) và gông (G). Trụ là phần lõi thép có dây quấn, gông là phần lõi thép nối các trụ lại với nhau thành mạch từ kín và không có dây quấn. Theo sự sắp xếp tương đối giữa trụ, gông và dây quấn, lõi thép chia làm hai loại: kiểu trụ và kiểu bọc . Hình 2-5. 1). Kiểu trụ; 2). Kiêủ bọc. Lõi thép kiểu bọc (hình vẽ sau): mạch từ được phân nhánh ra làm hai bên và bọc lấy một phần dây quấn, loại này chỉ dùng trong một vài ngành chuyên môn đặc biệt như máy biến áp trong lõi điện luyện kim hay máy biến áp một pha công suất nhỏ dùng trong kỹ thuật vô tuyến điện, truyền thanh . . . Ưu điểm loại này là cuộn sơ cấp và thứ cấp đều đặt trên một trụ, mạch từ đối xứng, hệ số từ cảm lớn. Song có nhược điểm là chế tạo phức tạp cả phần lõi sắt và dây quấn, các lá tôn silic nhiều loại, kích thước khác nhau chủ yếu ứng dụng chế tạo cho các máy biến áp lò điện có điều chỉnh điện áp bằng bán dẫn. 14
Lõi thép kiểu trụ (hình vẽ sau): dây quấn ôm lấy trụ sắt, gông từ chỉ giáp phía trên và phía dưới dây quấn mà không bao lấy mặt ngoài của dây quấn, trụ sắt thường để đứng. Ngoài ra còn có thể loại trung gian giữa kiểu trụ và kiểu bọc gọi là kiểu trụ - bọc Caùc laù theùp kyõ thuaät ñieän thöôøng ñöôïc söû duïng coù daïng hình chöõ E , U , I 2. Dây quấn máy biến áp Hình 2-6. 1). Mạch từ chữ U, I; 2). Mạch từ E, I Hình 2-7. 1). Mạch từ máy biến áp 1 pha; 2). Mạch từ máy biến áp 3 pha Dây quấn máy biến áp là bộ phận dùng để thu nhận năng lượng vào và truyền năng lượng đi. Dây quấn máy biến áp thường làm bằng dây dẫn đồng hoặc nhôm, có tiết diện hay chữ nhật, bên ngoài dây dẫn có bọc cách điện Daây quaán goàm nhieàu voøng daây vaø loàng vaøo truï cuûa loõi theùp . Giöõa caùc voøng daây , giöõa caùc daây quaán vaø loõi theùp ñeàu caùch ñieän . Maùy bieán aùp thöôøng coù hai hoaëc nhieàu daây quaán . Khi daây quaán nhaän ñieän aùp vaøo goïi laø sô caáp vaø daây quaán ñöa ñieän aùp ra ñöôïc noái vôùi taûi goïi laø thöù caáp Thöôøng trong maùy bieán aùp coù moät cuoän sô caáp , nhöng cuõng coù theå coù moät hay nhieàu cuoän thöù caáp . Khi caùc daây quaán ñaët treân cuøng moät truï thì daây quaán sô caáp ñaët saùt truï töø coøn caùc daây quaán thöù caáp ñaët loàng ra beân ngoaøi . Theo phương pháp bố trí dây quấn trên lõi thép có thể chia dây quấn máy biến áp thành hai kiểu chính. Dây quấn đồng tâm: tiết diện ngang là những hình tròn đồng tâm và có các kiểu dây quấn hình trụ, dây quấn xoắn, dây quấn xoắn ốc liên tục. Dây quấn xen kẽ: cuộn cao áp và cuộn hạ áp được quấn thành từng bánh cùng chiều cao thấp và quấn xen kẽ, do đó giảm được lực dọc trục khi ngắn mạch 15
Hình 2-8. Các dạng dây quấn 3. Vỏ máy biến áp Voû maùy bieán aùp laøm baèng gang , theùp taám goàm hai boä phaän : thuøng vaø naép thuøng. Vỏ máy để bảo vệ lõi thép, dây quấn và dùng để bắt các sứ vào ra. Với vỏ máy có công suất lớn thì vỏ máy có tác dụng chứa dầu làm mát máy, tăng cường cách điện cho máy. Vỏ máy làm bằng thép gồm hai bộ phận: thùng máy và nắp máy. Hình 2-9. Máy biến áp dầu ba pha. 1. Móc vòng chuyển; 2. Sứ cao áp; 4. Sứ trung áp; 5. Sứ hạ áp; 7. Ống phòng nổ; 8.Bình giãn dầu; 10. Thước chỉ dầu; 12. Xà ép gông; 13. Bình hút ẩm; 16. Dây quấn cao áp; 18. Bộ lộc đối lưu; 22. Vỏ thùng; 23. Bộ tản nhiệt; 24. Cáp cấp điện cho động cơ; 25. Động cơ quạt gió làm mát; 26. Bộ truyền động chuyển mạch. 16
- Thùng MBA: Trong thùng máy biến áp (hình 2-9) đặt lõi thép, dây quấn và dầu biến áp. Dầu biến áp làm nhiệm vụ tăng cường cách điện và tản nhiệt. Lúc máy biến áp làm việc, một phần năng lượng tiêu hao thoát ra dưới dạng nhiệt làm dây quấn, lõi thép và các bộ phận khác nóng lên. Nhờ sự đối lưu trong dầu và truyền nhiệt từ các bộ phận bên trong MBA sang dầu và từ dầu qua vách thùng ra môi trường xung quanh. - Nắp thùng MBA: Dùng để đậy trên thùng và trên đó có các bộ phận quan trọng như: + Sứ ra của dây quấn cao áp và dây quấn hạ áp, làm nhiệm vụ cách điện. + Bình giãn dầu (bình dầu phụ) có ống thủy tinh để xem mức dầu. + Ống bảo hiểm: làm bằng thép, thường làm thành hình trụ nghiêng, một đầu nối với thùng, một đầu bịt bằng một đĩa thủy tinh. Nếu vì lý do nào đó, áp xuất dầu trong thùng tăng lên đột ngột, đĩa thủy tinh sẽ vỡ, dầu theo đó thoát ra ngoài để MBA không bị hỏng. + Rơle dùng để bảo vệ MBA. + Lỗ nhỏ để đặt nhiệt kế. + Bộ truyền động cầu dao đổi nối các đầu điều chỉnh điện áp dây quấn cao áp. ÔÛ moãi maùy bieán aùp, sau khi cheá taïo xong, ngöôøi ta ñeàu coù ghi caùc thoâng soá cuûa maùy treân bieån maùy. Nhö ñieän aùp sô caáp vaø thöù caáp ñònh möùc : U1ñm , U2ñm ; doøng ñieän sô caáp vaø thöù caáp ñònh möùc : I1ñm , I2ñm ; dung löôïng ñònh möùc Sñm ñoù laø coâng suaát toaøn phaàn maø maùy coù theå cung caáp. IV. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP Khaûo saùt maùy bieán aùp moät pha hai daây quaán nhö hình veõ sau : daây quaán sô caáp coù W1 voøng daây , daây quaán thöù caáp coù W2 voøng daây Hình 2-10. Sơ đồ nguyên lý của mba một pha hai dây quấn. Nguyên lý làm việc của máy biến áp dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Máy biến áp biến đổi điện áp của lưới điện xoay chiều U1 thành điện áp U2 cho tải. Thông thường máy biến áp có hai cuộn dây. Cuộn dây nối với lưới điện được gọi là sơ cấp, cuộn nối với tải gọi là cuộn thứ cấp Khi noái daây quaán sô caáp vaøo nguoàn ñieän xoay chieàu seõ coù doøng ñieän sô caáp chaïy daây quaán sô caáp . Doøng ñieän sô caáp sinh ra töø thoâng bieán thieân chaïy trong loõi theùp , töø thoâng naøy moùc voøng ñoàng thôøi vôùi caû hai daây quaán sô caáp vaø thöù caáp goïi laø töø thoâng chính . 17
Khi maùy bieán aùp khoâng taûi , daây quaán thöù caáp hôû maïch , doøng ñieän thöù caáp I2 = 0 töø thoâng chính trong loõi theùp chæ do doøng sô caáp I0 sinh ra . Khi maùy bieán aùp coù taûi , daây quaán thöù caáp noái vôùi taûi coù toång trôû taûi , döôùi taùc ñoäng cuûa söùc ñieän ñoäng thöù caáp , coù doøng ñieän thöù caáp , cung caáp ñieän cho taûi . Khi aáy töø thoâng chính do ñoàng thôøi caû hai doøng ñieän sô caáp vaø thöù caáp sinh ra Giaû söû , bieåu thöùc cuûa töø thoâng xoay chieàu trong maïch töø laø :  =  max .sin (.t ) (2.5) Vì töø thoâng bieán thieân neân theo ñònh luaät caûm öùng ñieän töø , caùc söùc ñieän ñoäng e 1 , e2 ñöôïc xaùc ñònh : d   e1 = −W1. = E1. 2.sin  .t −  (V ) (2.6) dt  2 d   e2 = −W2 . = E2 . 2.sin  .t −  (V ) (2.7) dt  2 Với: E1 = 4, 44. f . max .W1 (2.8) E2 = 4, 44. f . max .W2 (2.9) max = Bmax  S (2.10) Trong đó: W1 : laø soá voøng cuûa daây quaán sô caáp (vòng) W2 : laø soá voøng cuûa daây quaán thứ caáp (vòng) max : töø thoâng cöïc ñaïi ( Wb ) Bmax : cöôøng ñoä töø caûm ( Wb/m2 ) S : tieát dieän ( m2 ) Neáu ta chia söùc ñieän ñoäng sô caáp cho thöù caáp ta coù tyû soá bieán aùp E1 W1 k= = (2.11) goïi k laø heä soá bieán aùp E2 W2 Neáu boû qua ñieän aùp rôi treân daây quaán sô caáp vaø thöù caáp thì (E1  U1 ;E2  U2) thì ta ñöôïc: E1 W1 U 1 k= = = (2.12) E 2 W2 U 2 k > 1 goïi laø MBA giaûm aùp k < 1 goïi laø MBA taêng aùp Như vậy: - Về nguyên tắc có thể biến đổi điện áp U1 thành điện áp U2 (chỉ cần thay đổi số vòng dây quấn sơ cấp và thứ cấp). - Daây quaán sô caáp vaø thöù caáp khoâng tröïc tieáp lieân heä vôùi nhau veà ñieän nhöng nhôø coù töø thoâng chính , naêng löôïng truyeàn töø daây quaán sô caáp sang thöù caáp . Vì hieäu suaát maùy bieán aùp thöôøng cao , neân moät caùch gaàn ñuùng coù theå xem coâng suaát maùy bieán aùp nhaän vaøo phía sô caáp baèng coâng suaát ñöa ra phía thöù caáp E1 W1 U1 I2 (U1.I1 = U2.I2 ) k = = = = (2.13) E2 W2 U2 I1 18
V. MÔ HÌNH TOÁN & SƠ ĐỒ THAY THẾ CỦA MÁY BIẾN ÁP 1. Quá trình điện từ trong máy điện. Ngoài từ thông chính  chạy trong lõi thép như đã nói ở trên, trong máy biến áp còn có từ thông tản. Từ thông tản không chạy trong lõi thép mà chạy tản ra trong không khí, các vật liệu cách điện. Từ thông tản khép mạch qua các vật liệu không sắt từ, có độ dẫn từ kém, do đó từ thông tản nhỏ hơn rất nhiều so với từ thông chính. Từ thông tản chỉ móc vòng riêng rẽ với mỗi dây quấn. Từ thông tản móc vòng sơ cấp ký hiệu là ψt1 do dòng điện sơ cấp i1 gây ra. Từ thông tản móc vòng thứ cấp ký hiệu là ψt2 do dòng điện sơ cấp i2 gây ra. Từ thông tản được đặt trưng bằng điện cảm tản. Điện cảm tản dây quấn sơ cấp, thứ cấp L1, L2: ψ ψ L1 = t1 ; L2 = t2 i1 i2 2. Phương trình điện áp phía sơ cấp. Xét mạch điện sơ cấp (hình 2-12), gồm điện áp u1, sức điện động e1, điện trở dây quấn sơ cấp R1, điện cảm tản sơ cấp L1. Áp dụng định luật Kirchoff 2 ta có phương trình điện áp sơ cấp viết dưới dạng trị số tức thời: di R1i1 + L1 1 = u1 + e1 dt di Suy ra u1 = R1i1 + L1 1 - e1 (2-14) dt Phương trình điện áp sơ cấp viết dưới dạng số phức: • • • • • U1 = R1 I1 + jωL1 I1 = R1 I1 + jX1 I1 • • • (2-15) U1 =Z1 I1 - E1 Trong đó: Z1 = R1 + jX1 là tổng trở phức dây quấn sơ cấp. X1 = ωL1 là điện kháng tản dây quấn sơ cấp. 3. Phương trình điện áp phía thứ cấp. Mạch điện thứ cấp (hình 2-8), gồm sức điện động e2, tổng trở dây quấn thứ cấp R2, điện cảm tản dây quấn thứ cấp L2, tổng trở tải Zt. Áp dụng định luật Kirchoff 2 ta có phương trình điện áp thứ cấp viết dưới dạng trị số tức thời: di R 2i 2 + L 2 2 = e 2 - u 2 dt di Suy ra; u 2 = e2 - R 2i 2 - L2 2 (2-16) dt 19