Giáo Trình Mđ.doc

Phần 1 MÁY BIẾN ÁP 1 PHA CÔNG SUẤT NHỎ Nội dung bài giảng máy điện Trần Đức Anh BAØI 1 KHAÙI NIEÄM CHUNG VEÀ MAÙY ÑIEÄN 1 1 Caùc Ñònh Luaät Ñieän Töø Duøng Trong Maùy Ñieän 1 1 1 Löïc ñieän töø Löïc ñ[.]

Nội dung giảng máy điện Đức Anh Trần BAØI 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 1.1 Các Định Luật Điện Từ Dùng Trong Máy Điện: 1.1.1 Lực điện từ: Lực điện từ có ứng dụng rộng rãi kỹ thuật, sở để chế tạo máy điện, khí cụ điện Thực nghiệm chứng tỏ đặt dây dẫn thẳng có dòng điện vuông góc với đường sức từ trường đều, xuất lực điện từ tác dụng lên dây dẫn xác định sau: - Trị số lực tỉ lệ với cường độ từ cảm, chiều dài dây dẫn đặt từ trường (gọi chiều dài tác dụng) cường độ dòng điện F = B.l.I (1.1) Ở đây: F – lực điện từ (Niutơn); l – chiều dài tác dụng (mét); B – cường độ từ cảm (tesla); I – cường độ dòng điện (ampe) - Phương chiều lực điện xác định theo quy tắc bàn tay trái (hình 1-1b): ngửa bàn tay trái cho đường sức từ (hoặc vectơ từ cảm B) xuyên lòng bàn tay , chiều bốn ngón tay duỗi thẳng theo chiều dòng điện ngón doãi chiều lực điện từ từ qua Hình 1-1: Lực tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện đặt từ trường (a) qui tắt bàn tay trái (b) tay Trường hợp dây dẫn không đặt vuông góc mà lệch góc α ≠ 900 trị số lực F xác định công thức: F = B.l.I.sinα 1.1.2 Hiện tượng cảm ứng điện từ: Năm 1831, nhà vật lý học người Anh Mai-cơn Pha-ra-đây phát tượng cảm ứng điện từ, tượng kỹ thuật điện Nội dung tượng là: từ thông biến thiên kèm theo xuất sức điện động, gọi sức điện động cảm ứng Năm 1833, nhà vật lý học người Nga Len-xơ phát quy luật chiều sức điện động cảm ứng định luật cảm öùng Trung cấp nghề Cam Ranh- Khoa Điện-Điện tử Nội dung giảng máy điện Đức Anh Trần điện từ phát biểu sau: từ thông xuyên qua vòng dây biến thiên làm xuất sức điện động gọi sức điện động cảm ứng vòng dây Sức điện động có chiều cho dòng điện sinh tạo thành từ thông có tác dụng chống lại biến thiên từ thông sinh Định luật viết dạng phương trình Maxwell: e = - dΦ dt (1.2) Sự biến thiên tổng từ thông móc vòng mạch điện tạo sức điện động tỷ lệ với đạo hàm tổng từ thông biến thiên 1.1.3 Sức điện động cảm ứng dây dẫn chuyển động cắt từ trường: Giả sử dây dẫn thẳng l, chuyển động từ trường B với tốc độ v vuông góc với đường sức từ trường (hình 1-2a) thời gian t, dây dẫn chuyển đoạn b = v t, thông biến thiên lượng: dài Trong dịch từ Φ = B.b.l = B.v.l.t Như theo công thức Maxwell, sức điện động cảm ứng dây dẫn có trị số: e = lim t 0 Hình 1-2: Quy tắc bàn tay phải Φ = lim Blv.t = Blv t t 0 t xuất (1.3) Ở đây: e (volt); B (tesla); l (m); v (m/s) Chiều sức điện động cảm ứng trường hợp xác định theo quy tắc bàn tay phải: đường sức từ đâm vào lòng bàn tay phải, ngón tay doãi theo chiều chuyển động dây dẫn chiều bốn ngón tay chiều sức điện động cảm ứng 1.1.4 Tự cảm hỗ cảm: 1) Tự cảm: a) Hệ số tự cảm: Cuộn dây có dòng điện i qua tạo từ trường Đường sức từ trường phần lớn bao quanh vòng cuộn dây, tạo thành từ thông móc vòng cuộn dây, ký hiệu ψ (pxi) Trung cấp nghề Cam Ranh- Khoa Điện-Điện tử Nội dung giảng máy điện Đức Anh Trần Khi doøng điện i tăng, từ thông móc vòng tăng theo, tỷ số chúng nói chung không đổi, gọi hệ số tự cảm cuộn dây, ký hiệu L L= ψ (1.4) i Hệ số tự cảm đặc trưng cho khả luyện từ cuộn dây Cùng dòng điện qua cuộn dây, cuộn có L lớn tạo từ thông móc vòng lớn Trong công thức (1.4), cho ψ = vêbe, i = A L = vị tự cảm, gọi henri – viết tắt H 1.V.S = Ω.s 1H = 1Wb = 1A A Henri tự cảm cuộn dây, có dòng điện 1A qua tạo từ thông móc vòng 1Wb b) Sức điện động tự cảm: Nếu dòng điện i qua dây dẫn biến thiên từ thông móc vòng ψ biến thiên, dây dẫn xuất sức điện động cảm ứng gọi sức điện động tự cảm Sức điện động tự cảm sức điện động cảm ứng dây dẫn dòng điện qua dây dẫn biến thiên tạo nên Sức điện động tự cảm ký hiệu eL eL = - dψ = - dLi = - L di dt dt dt (1.5) Nghóa sức điện động tự cảm tỷ lệ với hệ số tự cảm tốc độ biến thiên dòng điện trái dấu Ý nghóa dấu trừ i tăng eL âm, tức eL ngược chiều i; i giảm eL chiều với i 2) Hỗ cảm: Nếu có hai cuộn dây gần (hình 1-3), cuộn có dòng điện i1 qua, phần từ thông móc vòng qua ψ1, có phần từ thông móc vòng sang cuộn – Dòng điện i1 lớn từ thông ψ12 lớn, vị hai cuộn không thay đổi tỷ số ψ12 i1 luôn không đổi gọi hệ số hỗ cảm cuộn với cuộn 2: M12 = ψ12 i1 ψ2 trí Hình 1-3: Từ thông móc vòng hỗ cảm Trung cấp nghề Cam Ranh- Khoa Điện-Điện tử Nội dung giảng máy điện Đức Anh Trần Dó nhiên dòng điện i cuộn tạo từ thông ψ21 móc vòng qua cuộn 1, đo hệ số hỗ cảm cuộn với cuộn : M21 = ψ21 i2 Người ta thấy rằng: (1.6) M12 = M21 = ψ12 = ψ21 = M i1 i2 Và M gọi hệ số hỗ cảm hai cuộn dây Ta thấy đơn vị hệ số hỗ cảm đơn vị hệ số tự cảm Nếu dòng điện i1 biến thiên, ψ12 biến thiên theo, làm xuất sứ điện động cảm ứng cuộn gọi sức điện động hỗ cảm e12 e12 = - dψ12 = - M di1 dt dt (1.7a) Ngược lại, i2 biến thiên tạo sức điện động hỗ cảm cuộn 1: e21 = - dψ21 = - M di2 dt dt (1.7b) Như trị số sức điện động hỗ cảm tỷ lệ với tốc độ biến thiên dòng điện cuộn dây với hệ số hỗ cảm chúng Hiện tượng hỗ cảm sở nguyên lý máy biến áp 1.2 Định Nghóa Và Phân Loại Máy Điện: 1.2.1 Định nghóa: Máy điện thiết bị điện từ, nguyên lý làm việc dựa tượng cảm ứng điện từ Về cấu tạo máy điện gồm mạch từ (lõi thép) mạch điện (các dây quấn), dùng để biến đổi dạng lượng thành điện (máy phát điện) ngược lại biến đổi điện thành (động điện), dùng để biến đổi thông số điện biến đổi điện áp, dòng điện, tần số … Máy điện máy thường gặp nhiều ngành kinh tế công nghiệp, giao thông vận tải … dụng cụ sinh hoạt gia đình 1.2.2 Phân loại: Máy điện có nhiều loại phân loại theo nhiều cách khác nhau, ví dụ phân loại theo công suất, theo cấu tạo, theo chức năng, theo dòng điện (xoay chiều, chiều), theo nguyên lý làm việc… Trong giáo trình ta phân loại dựa vào nguyên lý biến đổi lượng sau: Trung cấp nghề Cam Ranh- Khoa Điện-Điện tử Nội dung giảng máy điện Đức Anh Trần Maùy điện Máy điện tónh Máy điện có phần quay Máy điện xoay chiều Máy điện không đồng Máy điện chiều Máy điện đồng Máy biến áp Động Máy Động Máy Động Máy phát phát phát không không đồng đồng chiều đồng đồng bộ chiều 1) Máy điện tónh: Hình 1-4: Sơ đồ phân loại máy điện Máy điện tónh thường gặp máy biến áp Máy điện tónh làm việc dựa tượng cảm ứng điện từ biến thiên từ thông cuộn dây chuyển động tương Máy điện tónh dùng để biến đổi thông số điện Do tính chất thuận nghịch quy luật cảm ứng điện từ, trình biến đổi có thính thuận nghịch, ví dụ máy biến áp biến đổi điện có thông số U1, I1, f thành điện có thông số U2, I2, f ngược lại biến đổi hệ thống điện U2, I2, f thành hệ thống điện U1, I1, f 2) Máy điện có phần động: Nguyên lý làm việc dựa tượng cảm ứng điện từ, lực điện từ, từ trường dòng điện cuộn dây có chuyển động tương gây Loại máy điện thường dùng để biến đổi dạng lượng, ví dụ biến đổi điện thành (động điện) biến đổi thành điện (máy phát điện) Quá trình biến đổi có tính thuận nghịch nghóa máy điện làm việc chế độ máy phát điện động điện Trên hình 1-4 vẽ sơ đồ phân loại máy điện thông dụng thường gặp 1.3 Nguyên Lý Máy Phát Điện Và Động Cơ Điện – Tính Thuận Nghịch Của Máy Điện: Máy điện có tính thuận nghịch, nghóa làm việc chế độ máy phát điện động điện 1.3.1 Chế độ máy phát điện: Cho động sơ cấp dụng vào dẫn lực học dẫn chuyển động với tốc tác Fcơ, độ v Trung cấp nghề Cam Ranh- Khoa Điện-Điện tử Hình 1-5 Nội dung giảng máy điện Đức Anh Trần từ trường nam châm N-S (hình 1-5), dẫn cảm ứng sức điện động e Nếu nối cực dẫn điện trở R tải Dòng điện i chạy dẫn cung cấp điện cho tải Nếu bỏ qua điện trở dẫn, điện áp đặt vào tải u = e Công suất điện máy phát cung cấp cho tải pđ = ui = ei Dòng điện i nằm từ trường chịu tác dụng lực điện từ F đt = Bli có chiều hình vẽ Khi máy quay với tốc độ không đổi lực điện từ cân với lực động sơ cấp: Fcơ = Fđt Nhân vế với v ta có: Fcơ v = Fđt v = Bliv = ei Như công suất động sơ cấp p = Fcơ v biến đổi thành công suất điện p đ = ei nghóa biến thành điện 1.3.2 Chế độ động điện: Cung cấp điện cho máy điện, điện áp U nguồn điện gây dòng điện i dẫn Dưới tác dụng từ trường có lực điện từ F đt = Bli tác dụng lên dẫn làm dẫn chuyển động với tốc độ v có chiều hình 1-6 Công suất điện đưa vào động cơ: Hình 1-6 Pđ = ui = ei = Bliv = Fđt.v Như công suất điện pđ = ui đưa vào động biến thành công suất pcơ = Fđt.v trục động Điện biến đổi thành Ta nhận thấy thiết bị điện từ tùy theo lượng đưa vào mà máy điện làm việc chế độ động máy phát điện Mọi loại máy điện có tính chất thuận nghịch 1.4 Sơ Lược 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 vật liệu kết cấu 1.4.1 Vật liệu dẫn điện: Vật liệu dẫn điện dùng để chế tạo phận dẫn điện Vật liệu dẫn điện dùng máy điện tốt đồng chúng không đắt có điện trở suất nhỏ Ngoài dùng nhôm hợp kim khác đồng thau, đồng phốt Để chế tạo dây quấn người ta thường dùng đồng, nhôm Dây đồng dây nhôm chế tạo theo tiết diện tròn chữ nhật, có bọc loại cách điện khác sợi vải, sợi thủy tinh, giấy, nhựa hóa học, sơn emay Với máy điện công suất nhỏ trung bình, điện áp 700V Trung cấp nghề Cam Ranh- Khoa Điện-Điện tử Nội dung giảng máy điện Đức Anh Trần thường dùng dây emay lớp cách điện dây mỏng, đạt độ bền yêu cầu Đối với phận khác vành đổi chiều, lồng sóc, vành trượt, đồng, nhôm người ta dùng hợp kim đồng nhôm, có chỗ dùng thép để tăng độ bền học giảm kim loại màu 1.4.2 Vật liệu dẫn từ: Vật liệu dẫn từ dùng để chế tạo phận mạch từ, người ta dùng vật liệu sắt từ để làm mạch từ: thép kỹ thuật điện, thép thường, thép đúc, thép rèn Gang dùng dẫn từ không tốt Ở đoạn mạch từ có từ thông biến đổi với tần số 50Hz thường dùng thép kỹ thuật điện dày 0,35 – 0,5 mm, thành phần thép có từ – 5% Si (để tăng điện trở thép, giảm dòng điện xoáy) Ở tần số cao hơn, dùng thép kỹ thuật điện dày 0,1 – 0,2 mm Tổn hao công suất thép tượng từ trễ dòng điện xoáy đặc trưng suất tổn hao Thép kỹ thuật điện chế tạo phương pháp cán nóng cán nguội Hiện với máy biến áp máy điện công suất lớn thường dùng thép cán nguội có độ từ thẩm cao công suất tổn hao nhỏ loại cán nóng Ở đoạn mạch từ có từ trường không đổi, thường dùng thép đúc, thép rèn thép 1.4.3 Vật liệu cách điện: Vật liệu cách điện dùng để cách ly phận dẫn điện không dẫn điện, cách ly phận dẫn điện với Trong máy điện, vật liệu cách điện phải có cường độ cách điện cao, chịu nhiệt cao, tản nhiệt tốt, chống ẩm bền học Độ bền vững nhiệt chất cách điện bọc dây dẫn định nhiệt độ cho phép dây định tải Nếu tính chất cách điện cao lớp cách điện mỏng kích thước máy giảm Chất cách điện máy điện chủ yếu thể rắn, gồm nhóm: - Chất hữu thiên nhiên giấy, vải lụa - Chất vô amiăng, mica, sợi thủy tinh - Các chất tổng hợp - Các loại men, sơn cách điện Chất cách điện tốt mica, song tương đối đắt nên dùng máy điện có điện áp cao Thông thường dùng vật liệu có sợi giấy, vải, sợi… Chúng có độ bền tốt, mềm, rẻ tiền dẫn nhiệt xấu, hút ẩm cách điện Do dây dẫn cách điện sợi phải sấy tẩm để cải thiện tính vật liệu cách điện Trung cấp nghề Cam Ranh- Khoa Điện-Điện tử Nội dung giảng máy điện Đức Anh Trần Ngoài có chất cách điện thể khí (không khí, hydro, SF6) thể lỏng (dầu máy biến áp) 1.4.4 Vật liệu kết cấu: Vật liệu kết cấu vật liệu để chế tạo chi tiết chịu tác động học trục, ổ trục, vỏ máy, nắp máy Trong máy điện, vật liệu kết cấu thường gang, thép lá, thép rèn, kim loại màu hợp kim chúng, chất dẻo 1.5 Phát Nóng Và Làm Mát Máy Điện: Trong trình làm việc có tổn hao công suất Tổn hao máy điện gồm tổn hao sắt từ (do tượng từ trễ dòng điện xoáy) thép, tổn hao đồng điện trở dây quấn tổn hao ma sát (ở máy điện quay) Tất tổn hao lượng biến thành nhiệt làm nóng máy điện Để làm mát máy điện, phải có biện pháp tản nhiệt môi trường xung quanh Sự tản nhiệt phụ thuộc vào bề mặt làm mát máy mà phụ thuộc vào đối lưu không khí xung quanh môi trường làm mát khác dầu máy biến áp… Thường vỏ máy điện chế tạo có cánh tản nhiệt máy điện có hệ thống quạt gió để làm mát Kích thước máy, phương pháp làm mát phải tính toán lựa chọn độ tăng nhiệt vật liệu cách điện máy không vượt độ tăng nhiệt cho phép, đảm bảo cho vật liệu cách điện làm việc lâu dài Khi máy điện làm việc chế độ định mức, độ tăng nhiệt phần tử không vượt độ tăng nhiệt cho phép Khi máy tải, độ tăng nhiệt vượt nhiệt độ cho phép, không cho phép tải lâu đài Phần 1: MÁY BIẾN ÁP PHA CÔNG SUẤT NHỎ BÀI CẤU TẠO , NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP PHA CÔNG SUẤT NHỎ Trung cấp nghề Cam Ranh- Khoa Điện-Điện tử Nội dung giảng máy điện Đức Anh Trần KHÁI NIỆM CHUNG 1.1 Định nghĩa Máy biến áp thiết bị điện từ tĩnh, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi nguồn điện xoay chiều từ trị số điện áp sang trị số điện áp khác mà giữ nguyên tần số Đầu vào máy biến áp nối với nguồn điện, gọi sơ cấp Đầu nối với tải gọi thứ cấp Trong vẽ, máy biến áp ký hiệu hình 1.1 Hình 1.1 Các đại lượng, thơng số sơ cấp ký hiệu có ghi số 1: Số vòng dây sơ cấp w1, điện áp sơ cấp U1, dịng điện sơ cấp I1, cơng suất sơ cấp P1 Các đại lượng, thông số thứ cấp ký hiệu có ghi số 2: số vòng dây thứ cấp w 2, điện áp thứ cấp U2, dịng điện thứ cấp I2, cơng suất thứ cấp P2 Nếu điện áp thứ cấp lớn điện áp sơ cấp máy biến áp tăng áp Nếu điện áp thứ cấp nhỏ điện áp sơ cấp máy biến áp giảm áp 1.2 Các đại lượng định mức Các đại lượng định mức nhà chế tạo qui định máy có khả làm việc lâu dài tốt gồm: 1.2.1 Điện áp định mức - Điện áp sơ cấp định mức ( U1đm) điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp máy làm việc bình thường Nếu máy biến áp ba pha điện áp dây - Điện áp thứ cấp định mức ( U 2đm) điện áp cực dây quấn thứ cấp máy làm việc bình thường - Đơn vị ghi máy V KV 1.2.2 Dòng điện định mức - Dòng điện định mức dòng điện qui định cho dây quấn máy biến áp, ứng với công suất định mức điện áp định mức Đối với máy biến áp ba pha dòng điện định mức dòng điện dây - Dòng điện sơ cấp định mức ký hiệu I1đm, dòng điện thứ cấp định mức ký hiệu I2đm - Đơn vị ghi máy A 1.2.3 Công suất định mức - Công suất định mức máy biến áp công suất biểu kiến định mức, đặc trưng cho khả truyền tải lượng máy thường tính thứ cấp - Đối với máy biến áp pha: Sđm = U2đm.I2đm - Đối với máy biến áp ba pha: Sđm = U2đm.I2đm - Đơn vị ghi máy VA KVA Trung cấp nghề Cam Ranh- Khoa Điện-Điện tử Nội dung giảng máy điện Trần Đức Anh Ngồi biển máy cịn ghi tần số định mức f đm, số pha, sơ đồ nối dây, điện áp ngắn mạch, chế độ làm việc v.v… 1.3 Công dụng máy biến áp Máy biến áp có vai trò quan trọng hệ thống điện, dùng để truyền tải phân phối điện Các nhà máy điện công suất lớn thường xa nơi tiêu thụ điện cần phải xây dựng đường dây truyền tải điện Điện áp máy phát thường 6,3; 10,5; 15,75; 38,5 kV Để nâng cao khả truyền tải giảm tổn hao công suất đường dây, phải giảm dòng điện chạy đường dây, cách nâng cao điện áp Vì đầu đường dây cần đặt máy biến áp tăng áp Mặt khác điện áp tải thường khoảng 220V đến 500V; động cơng suất lớn thường 6kV, cuối đường dây cần đặt máy biến áp giảm áp Ngồi máy biến áp cịn sử dụng thiết bị lò nung ( máy biến áp lò) hàn điện, làm nguồn cho thiết bị điện, điện tử cần nhiều cấp điện áp khác nhau, lĩnh vực đo lường ( máy biến điện áp, máy biến dòng) v.v… CẤU TẠO CỦA MÁY BIẾN ÁP Máy biến áp có hai phận chính: Lõi thép dây quấn 2.1 Lõi thép Còn gọi mạch từ dùng để dẫn từ, lõi thép gồm thép kỹ thuật điện có bề dày từ 0,35 đến 0,5mm sơn cách điện để tránh dòng Fucô làm tổn hao công suất máy biến áp vận hành Các thép ghép lại thành khối tạo thành mạch từ kín Phần lõi thép có dây quấn gọi trụ từ, phần lõi thép nối với trụ từ thành mạch kín gọi gơng từ 2 11 Hình 1.2 dạng mạch từ MBA a) Mạch từ dạng U-I b) Mạch từ dạng E-I Trụ từ Gông từ 2.2 Dây quấn Dây quấn máy biến áp thường chế tạo dây đồng ( nhơm ), có tiết diện trịn chữ nhật, bên ngồi dây dẫn có bọc cách điện Trung cấp nghề Cam Ranh- Khoa Điện-Điện tử 10