Vị trí, tính chất của môn học
- Vị trí: Là môn học thuộc phần các môn học/mô đun chuyên môn bắt buộc
- Tính chất: Là môn học lý thuyết chuyên môn, thuộc các môn học đào tạo bắt buộc.
Mục tiêu môn học
Máy biến áp, máy điện một chiều, động cơ điện xoay chiều (KĐB) 1 pha và 3 pha, máy phát điện, động cơ điện vạn năng, cùng với các loại đèn chiếu sáng và thiết bị điện, điện lạnh đều có những công dụng và cấu tạo riêng biệt Mỗi loại thiết bị này hoạt động dựa trên nguyên lý làm việc đặc trưng, từ việc biến đổi điện áp, chuyển đổi năng lượng điện thành cơ năng, đến việc cung cấp ánh sáng và thực hiện các chức năng điện lạnh Việc hiểu rõ về phân loại và nguyên lý hoạt động của các thiết bị này là rất quan trọng trong lĩnh vực điện năng.
+ Phân tích được các nguyên tắc mở máy, đảo chiều quay động cơ điện
+ Vận dụng được các biểu thức để tính toán các thông số kỹ thuật cơ bản trong máy điện.
Vận dụng kiến thức lý thuyết để phân tích các sự cố trong máy biến áp, động cơ điện và máy phát điện là rất quan trọng Việc hiểu rõ nguyên nhân và cách khắc phục các sai hỏng này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất hoạt động mà còn đảm bảo an toàn trong quá trình sử dụng Thực tế cho thấy, việc áp dụng lý thuyết vào thực hành sẽ giúp kỹ sư và kỹ thuật viên phát hiện sớm các vấn đề, từ đó đưa ra giải pháp hiệu quả.
- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:
+ Phát huy khả năng tư duy, sáng tạo và ý thức nghiên cứu trong học tập;
+ Rèn luyện kỹ năng giải bài toán trong điện kỹ thuật, vận dụng được kiến thức môn học vào thực tế.
MÁY ĐIỆN
Máy biến áp
1.1.1 Khái niệm, công dụng, phân loại
Máy biến áp là thiết bị được sử dụng để biến đổi điện áp của dòng điện xoay chiều, cho phép hạ thấp điện áp từ mức cao xuống mức thấp, hoặc nâng cao điện áp từ mức thấp lên mức cao.
Máy biến áp là thiết bị dùng trong hệ thống dòng điện xoay chiều để biến đổi điện áp Có hai loại máy biến áp: máy biến áp tăng áp, được sử dụng để tăng điện áp từ thấp lên cao, và máy biến áp giảm áp, dùng để hạ điện áp từ cao xuống thấp.
- Công dụng của máy biến áp
Máy biến áp có vai trò quan trọng trong hệ thống điện Nó là một khâu quan trọng dùng để truyền tải và phân phối điện năng như (Hình 1-1)
Để truyền tải điện từ các trạm phát điện đến hộ tiêu thụ, cần có đường dây tải điện, đặc biệt khi khoảng cách giữa hai điểm này lớn Việc truyền tải điện năng đi xa cần được thực hiện một cách kinh tế, và để giảm dòng điện trên đường dây, điện áp cần được tăng cao Việc này giúp giảm tiết diện dây dẫn, từ đó giảm trọng lượng và chi phí Để truyền tải công suất lớn với ít tổn hao, điện áp thường được sử dụng là 35, 110, 220 và 500kV Tuy nhiên, máy phát điện thường chỉ tạo ra điện áp từ 3 đến 21kV, vì vậy cần thiết bị để tăng điện áp ở đầu đường dây Ngược lại, các hộ tiêu thụ yêu cầu điện áp thấp từ 0,4 đến 6kV, do đó cần thiết bị giảm điện áp ở cuối đường dây Những thiết bị này được gọi là "máy biến áp", và trong hệ thống điện lực, việc truyền tải và phân phối công suất thường trải qua ba đến bốn lần tăng và giảm điện áp.
Tổng công suất của các máy biến áp trong hệ thống điện thường gấp ba đến bốn lần công suất của trạm phát điện Máy biến áp được sử dụng trong hệ thống điện lực được gọi là máy biến áp điện lực hay máy biến áp công suất Điều này cho thấy rằng máy biến áp chỉ có nhiệm vụ truyền tải hoặc phân phối năng lượng mà không thực hiện quá trình chuyển hóa năng lượng.
Ngoài máy biến áp điện lực, còn tồn tại nhiều loại máy biến áp chuyên dụng trong các ngành công nghiệp, như máy biến áp cho lò điện luyện kim, máy biến áp hàn điện, máy biến áp phục vụ cho thiết bị chỉnh lưu, và máy biến áp dùng trong đo lường thí nghiệm.
- Phâ n loại máy biến áp:
Phân loại theo công dụng:
- Máy biến áp điện lực: Máy biến áp cảm ứng
Máy biến áp tự ngẫu MBA có tỷ số cố định
MBA có tỷ số biến đổi
- Máy biến áp đo lường: Máy biến điện áp
Phân loại theo số pha: - Máy biến áp 1 pha
Phân loại theo điện áp: - Máy biến áp tăng áp
- Máy biến áp giảm áp
Phân loại theo lõi thép: - Máy biến áp có lõi thép
- Máy biến áp lõi thép không khí
Phân loại theo phương pháp làm mát:
- Máy biến áp kiểu khô:
- Máy biến áp kiểu dầu:
- Máy biến áp dầu tuần hoàn cưỡng bức
- Máy biến áp kiểu thông gió mạnh: b, Các đại lượng định mức của máy biến áp
- Công suất định mức ( Dung lượng định mức): Sđm( VA, KVA)
Là công suất toàn phần đưa ra ở phía thứ cấp máy biến áp
- Điện áp định mức Uđm ( V, kV)
+ Điện áp dây sơ cấp định mức U1đm
+ Điện áp dây thứ cấp định mức U2đm (Khi máy biến áp không tải mà điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức)
- Dòng điện định mức I 1đm , I 2đm (A,kA)
Là dòng điện dây của dây quấn sơ cấp và thứ cấp ứng với công suất và điện áp là định mức:
+ Máy biến áp 1 pha: I1đm = Sđm / U1đm
+ Máy biến áp 3 pha: I1đm = Sđm / 3 U1đm
- Tần số định mức ( f đm )
Thông thường các máy biến áp điện lực có tần số là 50Hz
Ngoài ra trên nhãn hiệu của máy còn ghi các số liệu khác như: Tổ nối dây,
Số pha, điện áp ngắn mạch định mức, hiệu suất định mức c, Các chế độ làm việc của máy biến áp
Sơ đồ thí nghiệm như hình vẽ
Hình 1 2.: Sơ đồ thí nghiệm
Khi đặt điện áp hình sin vào dây quấn sơ cấp với U1 bằng U1 đm hở mạch của dây quấn thứ cấp, chúng ta có thể sử dụng vôn kế, ampe kế và oát kế để đo điện áp sơ cấp U1, điện áp thứ cấp U2 và dòng điện.
I0, công suất P0 lúc không tải
Ta xác định được tổng trở, điện trở và điện kháng máy biến áp lúc không tải:
- Tỉ số biến đổi của máy biến áp:
- Hệ số công suất lúc không tải: cos
- Lúc máy biến áp không tải I 2 ' 0 mạch điện thay thế của máy biến áp có dạng như hình vẽ x 1 r 1 r m x m
Hình 1.3 : Sơ đồ thay thế
Mạch điện thay thế máy biến áp không tải của máy biến áp 1 pha
Các tham số không tải:
Có thể xem tổng trở, điện trở và điện kháng không tải bằng các tham số từ hóa tương ứng:
- Công suất lúc không tải P 0 có thểxem là tổn hao sắt P Fe :
Vì điện áp sơ cấp đặt vào không thay đổi , do đó không thay đổi, tổn hao sắt, tổn hao không tải không thay đổi
Ta có các hệ phương trình khi không tải:
Sơ đồ thí nghiệm như hình vẽ
Hình 1.4 : Sơ đồ thí nghiệm
Mạch điện thay thế của máy biến áp lúc ngắn mạch
Hình 1.5 : Sơ đồ thay thế
Dây quấn thứ cấp cần được nối ngắn mạch, trong khi điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp phải được điều chỉnh xuống mức thấp để đảm bảo dòng điện trong đó tương đương với dòng điện định mức.
- Các tham số ngắn mạch của máy biến áp: n n n I
+ Tổng trở ngắn mạch của máy biến áp:
+ Công suất lúc ngắn mạch là công suất dùng để bù vào tổn hao đồng trong dây quấn sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp:
+ Điện áp ngắn mạch gồm 2 thành phần:
Thành phần tác dụng: U nr I 1 r u là điện áp rơi trên điện trở
Thành phần phản kháng: U nx I 1 x n là điện áp rơi trên điện kháng của máy biến áp
Trong các máy biến áp điện lực điến áp ngắn mạch thường được biểu diễn bằng tỉ lệ phần trăm so với điện áp định mức
Các thành phần điện áp ngắn mạch là:
% 100 100 đm đm m đm nr nr U r
% 100 100 đm đm n đm nx nx U x
1.2.Máy biến áp một pha
1.2.1 Cấu tạo, nguyên lý làm việc a, Sơ đồ nguyên lý
Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý máy biến áp một pha
Cấu tạo cơ bản của máy biến áp một pha gồm các bộ phận chính như sau:
Lõi thép, hay còn gọi là gông từ, là bộ phận quan trọng trong máy biến áp, dùng để dẫn từ thông từ cuộn sơ cấp sang cuộn thứ cấp Được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện mỏng, được sơn cách điện và ghép lại, lõi thép giúp hạn chế dòng điện Fuco, giảm nhiệt cho máy Trong máy biến áp một pha, mỗi lõi thép hỗ trợ một cuộn dây quấn riêng biệt, với cấu trúc gông từ thường được ghép từ các lá thép hình chữ U và chữ I Ngoài ra, lõi thép dạng chữ E kết hợp với chữ I cũng thường được sử dụng, cho phép cả hai cuộn dây quấn trên trụ giữa của chữ E Đối với máy biến áp hạ áp, cuộn sơ cấp thường được đặt bên trong và cách điện với cuộn thứ cấp bên ngoài.
Dây quấn của máy biến áp là bộ phận nhận dòng điện sơ cấp để tạo ra từ trường, dẫn đến dòng điện thứ cấp Thông thường, dây quấn được làm bằng đồng với tiết diện tròn hoặc chữ nhật; trong các máy biến áp công suất nhỏ, tiết diện tròn là phổ biến hơn Để đảm bảo an toàn, dây quấn thường được sơn cách điện bằng sơn Emay và bọc bằng sợi vải cách điện, còn được gọi là dây cottong.
Số vòng dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp trong máy biến áp phụ thuộc vào điện áp đầu vào và đầu ra Cụ thể, trong máy biến áp tăng áp, số vòng cuộn sơ cấp W1 sẽ ít hơn số vòng cuộn thứ cấp W2, trong khi đó, với máy biến áp hạ áp, tình huống sẽ ngược lại.
Ngoài các bộ phận cơ bản của máy biến áp một pha, còn có nhiều bộ phận phụ trợ quan trọng như vỏ máy biến áp, dầu làm mát, và các thiết bị đo lường, đóng cắt Nguyên lý làm việc của máy biến áp một pha dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, cho phép chuyển đổi điện áp hiệu quả giữa các mạch điện.
Máy biến áp làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ
Khi áp dụng điện áp xoay chiều U1 vào cuộn dây sơ cấp w1, dòng điện I1 sẽ chạy qua và tạo ra từ thông xoay chiều trong lõi thép Từ thông này, do mạch từ khép kín, sẽ tác động đồng thời lên cả hai cuộn dây sơ cấp và thứ cấp, được gọi là từ thông chính Theo định luật cảm ứng điện từ, sự biến thiên của từ thông sẽ sinh ra một sức điện động e1 ở dây quấn sơ cấp, được biểu diễn bằng công thức: e1 = -w1 dt d.
Và cảm ứng trong dấy quấn thứ cấp một sức điện động là e2= -w2 dt d (1-2)
Trong đó: w 1 là số vòng dây cuộn sơ cấp w 2 là số vòng dây cuộn thứ cấp d là từ thông biến thiên theo thời gian
Qua tính toán ta được:
Trong đó: maxlà trị số từ thông lớn nhất Đơn vị là (Wb) f là tần số lưới điện Đơn vị là (Hz)
Nếu chia E1 cho E2 ta có
K được gọi là hệ số máy biến áp
Nếu bỏ qua điện trở dây quấn và từ thông tản ra ngoài không khí, có thể coi gần đúng U1 ≈ E1, U2 ≈ E2 ta có:
W = K Nghĩa là tỉ số điện áp sơ cấp và thứ cấp đúng bằng tỷ số vòng dây
- Nếu K>1 tức là w1>w2, U1>U2 suy ra ta có máy biến áp giảm áp
- Nếu K
