Giáo trình điện kỹ thuật (nghề công nghệ ô tô trình độ cao đẳng)

ĐẠI CƯƠNG VỀ MẠCH ĐIỆN

Mạch điện một chiều

1.1 Những khái niệm cơ bản về mạch điện một chiều

Dòng điện một chiều là dòng điện có chiều và cường độ không thay đổi theo thời gian

Nguồn điện là thiết bị chuyển đổi các dạng năng lượng như cơ năng, hóa năng và nhiệt năng thành điện năng Hai loại nguồn điện phổ biến là pin và acquy, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng cho nhiều thiết bị khác nhau.

Biến đổi hóa năng thành điện năng b Pin Mặt Trời

Hoạt động dựa vào hiện tượng quang điện, biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng c Máy phát điện một chiều

Máy phát điện biến đổi cơ năng đưa vào trục của máy thành điện năng ở các cực của dây quấn

Hình 1.1: Cấu tạo pin Mặt Trời Hình 1.2: Hình dáng máy điện một chiều

6 d Bộ nguồn điện tử công suất

Bộ nguồn điện tử công suất không sản xuất điện năng mà chỉ chuyển đổi điện áp xoay chiều từ lưới điện thành điện áp một chiều, cung cấp tại hai cực đầu ra.

Hình 1.3: Bộ nguồn biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều 1.1.3 Tải

Tải là các thiết bị tiêu thụ điện năng và biến đổi điện năng thành các dạng năng lượng khác như cơ năng, hoá năng, nhiệt năng, quang năng…

Mạch điện là một hệ thống bao gồm các thiết bị điện như nguồn, tải và dây dẫn, được kết nối thành một vòng khép kín cho phép dòng điện lưu thông.

Mạch điện phức tạp có nhiều nhánh, nhiều mạch vòng và nhiều nút

Nhánh: là bộ phận của mạch điện gồm có các phần tử nối tiếp nhau trong đó có cùng dòng điện chạy qua

Nút: là chỗ gặp nhau của các nhánh (từ 3 nhánh trở lên)

Mạch vòng: là lối đi khép kín qua các nhánh.

Hình 1.4: Nút và vòng của mạch điện

Hình 1.4 minh họa một mạch điện với nguồn điện là máy phát điện (MF) cung cấp điện cho tải gồm đèn (Đ) và động cơ điện (ĐC) Mạch điện này bao gồm 3 nhánh (1, 2, 3), 2 nút (A, B) và 3 mạch vòng (a, b, c).

1.2 Các đại lượng đặc trưng và các định luật của dòng điện một chiều

1.2.1 Các đại lượng đặc trưng a Cường độ dòng điện

Cường độ dòng điện là đại lượng phản ánh mức độ mạnh yếu của dòng điện, được xác định bằng lượng điện tích di chuyển qua tiết diện thẳng của vật dẫn trong một khoảng thời gian nhất định.

I = q/t Đơn vị của dòng điện là ampe (A)

Điện áp là đại lượng thể hiện khả năng tích lũy năng lượng của dòng điện trong mạch Mỗi điểm trong mạch đều có một điện thế φ, và hiệu điện thế giữa hai điểm được gọi là điện áp U, với đơn vị đo là vôn (V).

Ta có: UAB = φ A - φ B trong đó: φ A : điện thế tại A φ B : điện thế tại B

UAB: hiệu điện thế giữa A và B

Chiều điện áp được xác định là hướng di chuyển từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp Đơn vị đo điện áp là vôn (V), ký hiệu là U Sức điện động là khái niệm quan trọng trong lĩnh vực điện.

Mỗi nguồn điện có đại lượng đặc trưng cho khả năng sinh công của nó, gọi là sức điện động Kí hiệu: E, đơn vị là vôn (V)

Sức điện động của nguồn điện được xác định bằng công mà nguồn điện thực hiện để di chuyển một đơn vị điện tích dương giữa hai cực.

Lượng điện năng tiêu thụ trong một đoạn mạch khi dòng điện chạy qua được đo bằng công của lực điện, thực hiện khi di chuyển các điện tích theo hướng nhất định, nhằm chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác.

A = U.q = U.I.t = P.t Đơn vị của A là Jun (J) nếu đơn vị của t là giây (s) Đơn vị của A là kWh nếu đơn vị của t là giờ (h) Đơn vị của P là W e Công suất

Công suất mạch ngoài là đại lượng đặc trưng cho khả năng thu và phát năng lượng điện trường của dòng điện

 t = R.I 2 Công suất của nguồn điện bằng công suất tiêu thụ điện năng của toàn mạch

Png = E.I Đơnvị của công suất là oát (W)

1.2.2 Các định luật cơ bản a Định luật Ôm

+ Định luật Ôm đối với đoạn mạch

Cường độ dòng điện trong một đoạn mạch tỉ lệ thuận với điện áp hai đầu đoạn mạch và tỉ lệ nghịch với điện trở của đoạn mạch

+ Định luật Ôm cho toàn mạch: φ B

Giả sử có mạch điện như hình vẽ:

Cường độ dòng điện trong mạch kín tỉ lệ thuận với sức điện động của nguồn điện và tỉ lệ nghịch với điện trở toàn mạch

Tổng đại số các dòng điện tại một nút bằng không

Trong đó nếu qui ước các dòng điện đi tới nút mang dấu dương, thì các dòng điện rời khỏi nút mang dấu âm, hoặc ngược lại

Ví dụ: tại nút ở hình 1.6, định luật Kiếcshốp 1 được viết:

Định luật Kirchhoff 1 khẳng định tính liên tục của dòng điện, cho rằng tại một nút, lượng điện tích vào bằng lượng điện tích ra, tức là I1 = I2 + I3 Điều này có nghĩa là không có sự tích lũy điện tích tại nút.

Trong một mạch vòng bất kì tổng đại số các sức điện động bằng tổng đại số các điện áp rơi trên các điện trở trong vòng

Qui ước dấu: các sức điện động và dòng điện có chiều trùng với chiều đi vòng sẽ lấy dấu dương, ngược lại mang dấu âm

Nhiệt lượng tỏa ra trên một vật dẫn khi có dòng điện không đổi chạy qua tỉ lệ thuận với điện trở của vật, bình phương cường độ dòng điện và thời gian dòng điện chạy qua Cụ thể, công thức tính nhiệt lượng là Q = R * I² * t, trong đó Q là nhiệt lượng, R là điện trở, I là cường độ dòng điện và t là thời gian.

2 Các khái niệm cơ bản vềdòng điện xoay chiều

2.1 Định nghĩa dòng điện xoay chiều và nguyên lý sản sinh ra sức điện động xoay chiều hình sin

Dòng điện xoay chiều (AC) là loại dòng điện có chiều và cường độ thay đổi theo thời gian, thường diễn ra theo chu kỳ Sau mỗi khoảng thời gian nhất định, dòng điện này lặp lại quá trình biến thiên trước đó, và khoảng thời gian ngắn nhất để dòng điện lặp lại được gọi là chu kỳ của dòng điện xoay chiều.

2.1.2 Nguyên lý sản sinh ra sức điện động xoay chiều hình sin

Sức điện động xoay chiều hình sin được tạo ra trong máy phát điện xoay chiều một pha hoặc ba pha

Máy phát điện xoay chiều một pha bao gồm hai phần chính: phần cảm, là hệ thống cực từ được đặt ở stato, và phần ứng, là bộ dây được lắp đặt trên rôto.

Máy phát điện xoay chiều hoạt động dựa trên định luật cảm ứng điện từ, trong đó khung dây quay trong từ trường của nam châm vĩnh cửu sẽ cắt các đường sức từ, tạo ra sức điện động cảm ứng xoay chiều Khi kết nối đầu ra của khung dây với tải, dòng điện xoay chiều sẽ chạy qua tải, cung cấp năng lượng điện.

Dòng điện được truyền đến tải qua vành trượt và chổi than, tuy nhiên, khi công suất điện tăng cao, việc cách điện tại điểm tiếp xúc giữa chúng gặp nhiều khó khăn Trong ngành công nghiệp, máy phát điện xoay chiều được thiết kế với phần dây quấn đứng yên nằm trong các rãnh của lõi thép, trong khi nam châm N-S đảm nhiệm vai trò quay.

Hình 1.7: Mạch vòng dòng điện Áp dụng định luật Kirchhoff

2 cho mạch vòng hình 1.7, ta có:

Ý nghĩa và cách nâng cao hệ số công suất

Trong biểu thức công suất tác dụng P = UIcosφ, cosφ được gọi là hệ số công suất

Hệ số công suất phụ thuộc vào thông số của mạch điện Trong nhánh R, L, C nối tiếp

Hệ số công suất cosφ là chỉ tiêu kĩ thuật quan trọng, có ý nghĩa rất lớn về kinh tế:

- Nâng cao hệ số cosφ sẽ tăng được khả năng sử dụng công suất nguồn

Một máy phát điện có công suất định mức Sđm = 10 000 kVA và cosφ = 0,6 sẽ phát ra công suất Pđm = Sđmcosφ = 6000 kW Nếu nâng cosφ lên 0,9, công suất định mức sẽ tăng lên Pđm = Sđmcosφ = 9000 kW Điều này cho thấy việc sử dụng thiết bị với cosφ cao mang lại lợi ích rõ rệt.

Mặt khác, mỗi nơi tiêu thụ yêu cầu một công suất tác dụng P xác định Dòng điện truyền tải qua đường dây là

Khi cosφ nhỏ, I lớn, dẫn đến 2 tác hại:

+ I lớn phải dùng dây lớn, điều này không kinh tế

+ I lớn làm tổn thất trên đường dây nhiều

Vậy tăng hệ số công suất sẽ làm giảm vốn đầu tư, giảm tổn hao điện năng truyền tải

Trong sinh hoạt và công nghiệp, tải thường có tính chất điện cảm, dẫn đến hệ số công suất cosφ thấp Để cải thiện cosφ, người ta sử dụng tụ điện nối song song với tải, một phương pháp gọi là bù công suất.

Hình 1.28: Mắc tụ điện để bù cos (a) và đồ thị vectơ (b)

Khi chưa có tụ điện, dòng điện trên đường dây bằng với dòng điện qua tải I1, và hệ số công suất của mạch là cosφ1 của tải Khi được mắc thêm tụ điện, dòng điện trên đường dây sẽ thay đổi.

Từ đồ thị ta thấy dòng điện I trên đường dây giảm, và cosφ tăng lên:

Vì công suất P của tải không đổi, nên công suất phản kháng của mạch là:

+ Lúc chưa bù chỉ có công suất Q 1 của tải: Q 1 = P.tgφ 1

Trong mạch điện, khi xảy ra hiện tượng bù, hệ số công suất được biểu thị bằng cosφ, trong đó công suất phản kháng Q được tính theo công thức Q = P.tgφ Công suất phản kháng trong mạch bao gồm Q1 từ tải và QC từ tụ điện.

Do đó: Q 1 + QC = P.tgφ 1 + QC = P tgφ (3 - 7)

Mặt khác, công suất Q C = -UCIC = -U.Uω.C = - U 2 ω.C (3 - 8)

Từ (1) và (2) ta tính được giá trị điện dung C cần thiết để nâng hệ số công suất mạch điện từ cosφ 1 lên cosφ là:

Ngoài phương pháp bù công suất, có thể áp dụng các biện pháp khác để cải thiện hệ số công suất, chẳng hạn như tránh sử dụng máy biến áp hoạt động ở chế độ không tải và hạn chế việc sử dụng động cơ chạy ở chế độ không tải.

Hệ thống điện xoay chiều ba pha

Hệ thống điện xoay chiều ba pha bao gồm ba sức điện động hình sin có cùng tần số, nhưng lệch nhau một góc α nào đó Trong thực tế, nguồn điện năng ba pha thường sử dụng ba sức điện động hình sin đồng tần số và biên độ, lệch nhau 120 độ Nguồn ba pha này được gọi là nguồn ba pha đối xứng.

Mạch ba pha đối xứng bao gồm nguồn điện ba pha đối xứng, đường dây truyền tải và các phụ tải ba pha cân bằng

5.2 Nguyên lý máy phát điện xoay chiều ba pha Để tạo nguồn điện ba pha, ta dùng máy phát điện đồng bộ ba pha Sau đây ta xét cấu tạo và nguyên lý của máy phát điện đồng bộ ba pha đơn giản.

Gồm hai phần: stato và rôto

Stato là phần tĩnh của máy điện, bao gồm lõi thép hình trụ với sáu rãnh bên trong Mỗi cặp rãnh được trang bị các dây quấn AX, BY, CZ, mỗi dây quấn tương ứng với một pha: AX là pha A, BY là pha B, và CZ là pha C Các dây quấn này có cùng số vòng dây và được sắp xếp lệch nhau một góc 120 độ trong không gian.

Rôto là phần quay của máy điện, được cấu tạo từ lõi thép hình trụ, đặt bên trong stato và có khả năng quay quanh trục Nó hoạt động như một nam châm điện N-S, được từ hóa nhờ dòng điện một chiều từ nguồn kích thích bên ngoài.

Khi rôto quay, từ trường sẽ quét qua các dây quấn stato, tạo ra sức điện động sin trong các dây quấn với cùng biên độ và tần số, nhưng lệch nhau một góc 2π/3 Nếu chọn pha đầu của sức điện động e A ở dây quấn AX bằng không, thì các pha B và C sẽ lệch nhau 120 độ, dẫn đến biểu thức sức điện động ba pha.

Sức điện động pha A: eA= Emsin t

Sức điện động pha B: e B = Emsin (t - 120 0 ) = Emsin (t -

Sức điện động pha C: eC= Emsin (t - 240 0 ) = Emsin (t -

Hình 1.31: Đồ thị trị số tức thời và đồ thị vectơ sức điện động 3 pha

5.3 Ý nghĩa của hệ thống điện ba pha

- Dòng điện xoay chiều 3 pha có thể tạo nên từ trường quay trong động cơ điện xoay chiều 3 pha là động cơ điện thông dụng hiện nay

- Việc truyền tải điện năng bằng dòng điện 3 pha tiết kiệm được khá nhiều kim loại so với việc truyền tải điện năng bằng dòng điện một pha

Hình 1.30: Cấu tạo máy phát điện ba pha

Vì vậy hệ thống ba pha được sử dụng phổ biến mọi nơi trong công nghiệp điện.

Cách đấu dây hệ thống điện xoay chiều ba pha

6.1 Cách mắc mạch điện xoay chiều ba pha theo hình sao

- Các điểm cuối của các cuộn dây máy phát điện được nối với nhau

- Các điểm cuối của phụ tải được nối với nhau

6.1.2 Các định nghĩa Điểm chung O gọi là trung tính nguồn Điểm chung O’ gọi là trung tính tải

Dây dẫn nối các đầu A, B, C đến các phụ tải gọi là dây pha

Hình 1.32: Mạch điện xoay chiều 3 pha mắc hình sao

Dây nối điểm OO’ được gọi là dây trung hòa, có nhiệm vụ cân bằng điện áp giữa các pha Mạch điện có 3 dây 3 pha được gọi là mạch 3 pha 3 dây, trong khi mạch có thêm dây trung hòa được gọi là mạch 3 pha 4 dây Mạch 3 pha 4 dây thường được sử dụng để cung cấp điện cho các phụ tải không cân bằng như đèn thắp sáng Đối với các phụ tải có pha luôn cân bằng như động cơ điện 3 pha, có thể không cần sử dụng dây trung hòa.

Dòng điện chạy trong các cuộn dây gọi là dòng điện pha: i p

Dòng điện trong các dây dẫn được gọi là dòng điện dây (i d) Điện áp giữa hai đầu cuộn dây pha và điểm O được gọi là điện áp pha (U p) Trong khi đó, điện áp giữa hai dây dẫn được gọi là điện áp dây (U d).

6.1.3 Quan hệ giữa các đại lượng dây và đại lượng pha

Căn cứ vào mạch điện ta thấy quan hệ giữa dòng điện dây I d và dòng điện pha I p như sau: Id = Ip

Quan hệ giữa điện áp dây và điện áp pha: U d  3.U p

Về pha: điện áp dây vượt trước điện áp pha tương ứng một góc 30 0

Khi tải ba pha là đối xứng, như trong trường hợp động cơ điện, mạch ba pha sẽ trở thành mạch đối xứng với dòng điện trong dây trung tính bằng 0 Do đó, trong tình huống này, có thể không cần sử dụng dây trung tính, dẫn đến việc sử dụng mạch ba pha chỉ với 3 dây.

Khi tải ba pha không đối xứng, chẳng hạn như tải sinh hoạt trong khu tập thể hoặc gia đình, dòng điện chạy trong dây trung tính sẽ bằng tổng của ba dòng điện pha.

Hệ thống mạng điện dân dụng 4 dây có điện áp pha 220V, trong khi điện áp dây giữa các pha là khoảng 380V, thường được ghi là 380/220V Điều này có nghĩa là điện áp dây là 380V và điện áp pha là 220V Tại Việt Nam, hiện có hai loại mạng điện sinh hoạt chính: mạng điện 380V/220V (U d 380V, Up = 220V) và mạng điện 220V/127V (U d = 220V, Up = 127V) mà cũng được sử dụng ở một số quốc gia khác.

6.2 Cách mắc mạch điện xoay chiều ba pha theo hình tam giác

6.2.1 Cách mắc Điểm cuối của cuộn pha A được nối với điểm đầu của cuộn pha B, điểm cuối của cuộn pha B được nối với đầu cuộn pha C và cuối cuộn pha C với đầu cuộn pha A Như vậy

3 pha sẽ tạo thành mạch vòng tam giác kín và 3 đỉnh tam giác nối với 3 dây dẫn gọi là 3 dây pha

Hình 1.33: Mạch điện xoay chiều 3 pha mắc hình tam giác

Nguồn điện và phụ tải có thể nối hình sao hoặc tam giác, nhưng riêng nguồn điện thông thường nối hình sao

6 2.2 Quan hệ giữa đại lượng dây và đại lượng pha

Trong hệ thống 3 pha đối xứng mắc tam giác, ba dòng điện dây có độ lớn bằng nhau và lệch pha 120 độ Mỗi dòng điện dây chậm pha 30 độ so với dòng điện pha tương ứng, với trị số dòng điện dây gấp ba lần dòng điện pha.

6.3 Công suất mạch điện xoay chiều 3 pha

P = PA + PB+ PC = UA IA cosφ A + UB IB cosφ B + UC IC cosφ C

Khi mạch ba pha đối xứng: UA= UB= UC=UP ; IA= IB= IC= IP và cosφ A = cosφ B = cosφ C = cosφ

Ta có: P = 3.U p I p cosφ = 3.R p I 2 p trong đó R p là điện trở pha Đối với nối sao đối xứng: I p = Id ;

U U Đối với nối tam giác đối xứng:

Công suất tác dụng ba pha viết theo đại lượng dây, áp dụng cho cả trường hợp nối sao và nối tam giác đối xứng:

Q = QA + QB +QC = UA IAsinφ A + UB IBsinφ B + UC ICsinφ C

Khi mạch ba pha đối xứng: Q = 3 U p I p sinφ = 3.X p I 2 p trong đó Xp là điện kháng pha Hoặc viết theo đại lượng dây:

Khi mạch ba pha đối xứng, công suất biểu kiến ba pha:

Cách nối nguồn và tải trong mạch ba pha

Nguồn điện và tải ba pha có thể được kết nối theo hai hình thức là hình sao hoặc tam giác Việc lựa chọn phương pháp nối dây phù hợp phụ thuộc vào điện áp định mức của thiết bị, mạng điện và các yêu cầu kỹ thuật cụ thể.

Nguồn điện sinh hoạt thường được lấy từ dây quấn 3 pha stato của máy phát điện hoặc từ dây quấn 3 pha thứ cấp của máy biến áp, thường được nối hình sao với dây trung tính Phương pháp nối này cho phép cung cấp hai điện áp khác nhau: điện áp pha và điện áp dây Trên thế giới, có hai loại mạng điện phổ biến là 380V/220V (U d = 380V; Up = 220V) và 220V/127V (U d = 220V; Up = 127V) Hiện nay, tại Việt Nam, mạng điện chủ yếu sử dụng là 380V/220V.

Hình 1.34: Nguồn điện ba pha có dây trung tính

7.1 Cách nối động cơđiện ba pha

Mỗi động cơ điện ba pha được trang bị ba dây quấn pha, và điện áp định mức cho từng dây quấn đã được quy định trong quá trình thiết kế Để đảm bảo hiệu suất hoạt động, động cơ cần làm việc đúng với điện áp này Chẳng hạn, nếu động cơ ba pha có điện áp định mức cho mỗi pha là 220V (U p = 220V), thì trên nhãn của động cơ sẽ ghi là Δ/Y – 220V/380V.

Nếu động cơ hoạt động trong mạng điện có điện áp U d = 380V, thì cần phải đấu động cơ theo hình sao Ngược lại, nếu động cơ làm việc ở mạng điện với điện áp U d = 220V, động cơ phải được nối theo hình tam giác.

Hình 1.34: Cách nối động cơ điện ba pha a Động cơ đấu sao; b Động cơ đấu tam giác

Để dễ dàng trong việc đấu nối động cơ, 6 đầu dây của 3 cuộn dây quấn động cơ được ký hiệu là AX, BY, CZ và được kết nối với 6 bu lông tại hộp nối dây trên vỏ động cơ.

Việc đấu dây thực hiện bằng cách thay đổi vị trí cầu nối giữa các bu lông thành hình sao hoặc hình tam giác (hình 1.36)

Hình 1.35: Các đầu dây động cơ điện đưa ra hộp nối dây

Hình 1.36: Các đầu dây động cơ điện đưa ra hộp nối dây a Động cơ đấu sao; b Động cơ đấu tam giác

7.3 Cách nối tải một pha

Các tải một pha bao gồm động cơ điện một pha, lò điện một pha và các thiết bị điện gia đình như đèn điện, quạt điện, tủ lạnh, v.v Trên nhãn của các thiết bị này thường ghi rõ trị số điện áp định mức.

Khi sử dụng các thiết bị này, chúng được kết nối giữa dây pha và dây trung tính hoặc giữa hai dây pha, nhằm cung cấp cho các tải một pha điện áp định mức tương ứng với điện áp pha của mạng điện.

Trong thiết kế mạng điện, việc phân bố tải một pha cho cả ba pha là rất quan trọng, tuy nhiên, do sự sử dụng không đồng đều, dẫn đến tình trạng mạch ba pha không đối xứng Dây trung tính giúp duy trì điện áp ổn định cho các thiết bị, ngay cả khi tải không đối xứng Khi một pha gặp sự cố, chỉ có pha đó mất điện, trong khi các pha còn lại vẫn hoạt động bình thường, đảm bảo sự liên tục trong vận hành của hệ thống.

Hình 1.37: Nối các tải một pha vào nguồn điện b Nối vào 1 dây pha và dây trung tính; b Nối vào 2 dây pha

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP

1 Nêu khái niệm dòng điện một chiều

2 Nguồn điện cung cấp cho ô tô được lấy từ đâu?

3 Phân biệt đinamô và máy phát điện xoay chiều

4 Kể tên một số mạch điện trên ô tô và nói rõ đâu là tải

5 Phát biểu nội dung và viết biểu thức định luật Ôm đối với một đoạn mạch và toàn mạch

6 Phát biểu định luật Kirchoff và ý nghĩa của định luật

7 Dòng điện xoay chiều là gì? Biểu thức trị số tức thời, trị số hiệu dụng Ý nghĩa trị số hiệu dụng.

8 Phân biệt các loại công suất trong mạch điện hình sin

9 Ý nghĩa và cách nâng cao hệ số công suất

10.Trình bày hai cách mắc dây điện ba pha (bằng hình vẽ)

11.Định nghĩa điện áp pha, điện áp dây, dòng điện pha, dòng điện dây và quan hệ giữa chúng khi nối sao và nối tam giác

12.Để chế tạo một bếp điện công suất 600W, điện áp 220 V người ta dùng dây điện trở Tính: a Dòng điện bếp tiêu thụ b Điện trở của bếp

13.Một mạch điện có hiệu điện thế U = 110 V cung cấp cho phụ tải R = 10Ω trong thời gian 2 giờ Tính công suất và điện năng của tải

14 Bộ Ắc quy có điện trở trong r = 0.2Ω, suất điện động E = 12V, cung cấp cho điện trở R qua đường dây điện trở 0.8Ω Dòng điện qua điện trở R là 2A, tính giá trị điện trở R.

15 Cho 5 bóng đèn mỗi bóng có điện trở R = 200  mắc vào nguồn điện U = 220 V Tính cường độ dòng qua các bóng đèn trong các trường hợp các bóng đèn mắc song song và mắc nối tiếp

16 Trên một bóng đèn có ghi 220 V - 100W, nối đèn ấy vào mạng điện xoay chiều có

U = 220 V Xác định điện trở của đèn, cường độ dòng điện qua đèn và điện năng tiêu thụ của đèn trong 1 giờ

17 Cho mạch điện như hình vẽ 1.38, trong đó

Ω Tính: a Điện trở tương đương của mạch b Cường độ dòng điện mạch chính c Cường độ dòng điện qua mỗi điện trở. d Công suất tiêu thụ của mỗi điện trở.

18 Cho mạch điện như hình vẽ 1.39, trong đó E = 30V; r = 0; R 1 = 20 Ω; R 2 = 20 Ω;

R3 = 30 Ω Tính: a Điện trở tương đương của mạch b Cường độ dòng điện mạch chính c Hiệu điện thế giữa hai đầu mỗi điện trở.

19 Cho mạch điện như hình 1.40, đặt vào điện áp U = 120V; R1= 10 Ω; R2 = 15 Ω;

Xác định dòng điện trong nhánh chính I và dòng điện trong các nhánh phụ I 1 , I2, I3, I4

20 Tính dòng điện I 3 và các sức điện động E E 1, 3 trong mạch điện như hình vẽ 1.41 Cho biếtI 2 10 ;A I 14 ;A R 1 1 ;R 2  2 ,R 3 5

21 Cho mạch điện như hình vẽ 1.42, biết E 1 = 35V, r1 không đáng kể; E 2 = 95V;

E4 = 44V; r2 = r4 = 2Ω; R 2 = 48 Ω; R 3 = R4 = 10Ω Tìm cường độ dòng điện qua các nhánh của mạch điện

22 Cho mạch điện xoay chiều gồm R, L, C nối tiếp Cuộn dây thuần cảm có độ tự cảm

Trong mạch điện với L = 0,1/π H, R = 40Ω và C = 1/4000π F, hiệu điện thế hai đầu mạch được biểu diễn bằng u = 120√2 cos(100πt) (V), ta cần tính toán các thông số sau: a Cảm kháng, dung kháng và tổng trở của mạch b Cường độ dòng điện hiệu dụng, công suất tác dụng, công suất phản kháng và công suất biểu kiến.

23 Cho mạch điện xoay chiều gồm R, L, C nối tiếp, U = 100 V, tần số f biến thiên cho biết R = 10 Ω, L = 26,5 mH, C = 265 àF a Tính cường độ dòng điện, điện áp trên các phần tử, hệ số công suất khi f = 50 Hz b Xác định tần số f để có dòng điện cực đại Tính điện áp trên các phần tử và công suất trong trường hợp này

24 Một bóng đèn huỳnh quang công suất 40W Khi mắc vào nguồn điện có điện áp U 220V, f = 50Hz thì dòng điện làm việc qua đèn là I = 0,41A, cosφ = 0,6 Tính điện trở của đèn R 1 , điện trở của cuộn chấn lưu R 2 , điện áp trên đèn U 1 và điện áp trên chấn lưu U 2 (hình 1.43)

25 Một máy cạo râu có điện áp định mức 127V, tiêu thụ công suất 8W, cosφ = 0,85 Cần nối tiếp với máy một điện trở phụ R bằng bao nhiêu để có thể làm việc ở lưới điện 220V Tính các thông số sơ đồ thay thế máy cạo râu (Rd, Xd), điện áp và công suất tổn hao trên điện trở phụ R

26 Một mạch điện 3 pha phụ tải cân bằng, mỗi pha có điện trở R = 3Ω, cảm kháng X L 5Ω mắc vào nguồn điện có Ud = 220 V Tính công suất công suất tác dụng, công suất phản kháng, công suất biểu kiến trên 3 pha tải trong các trường hợp đấu sao và đấu tam giác

MÁY BIẾN ÁP

Máy biến áp một pha

Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, có chức năng biến đổi điện áp của dòng điện xoay chiều mà không làm thay đổi tần số.

Máy biến áp (MBA) đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điện, giúp truyền tải và phân phối điện năng hiệu quả Việc tăng cao điện áp khi truyền tải điện năng đi xa giúp giảm dòng điện, từ đó giảm tổn hao công suất và tiết kiệm điện năng Điều này không chỉ tiết kiệm kim loại màu mà còn giảm chi phí xây dựng đường dây dẫn điện Khi điện năng đến nơi tiêu thụ, máy biến áp sẽ giảm áp xuống để phù hợp với điện áp phụ tải.

-Tổn thất công suất trên đường dây được tính: P = I d 2 Rd

-Ta đã biết: P = 3.Ud.Id.cos  Id  cos

-Như vậy, tổn thất công suất là: P S l U

Để giảm thiểu tổn thất công suất trong quá trình truyền tải năng lượng điện, việc tăng cao điện áp là rất cần thiết Điện áp càng cao sẽ giúp quá trình truyền tải trở nên kinh tế hơn.

Máy biến áp không chỉ được sử dụng trong các thiết bị lò nung và hàn điện, mà còn cung cấp nguồn cho các thiết bị điện, điện tử yêu cầu nhiều cấp điện áp khác nhau Ngoài ra, máy biến áp còn đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực đo lường thông qua các thiết bị như máy biến điện áp và máy biến dòng Đặc biệt, loại máy biến áp một pha rất phổ biến trong các hộ gia đình.

- Theo cấu tạo bộ dây quấn: máy biến áp tăng áp, máy biến áp hạ áp, máy biến áp cách ly, máy biến áp tự ngẫu

- Theo phương pháp làm mát: máy biến áp làm mát bằng dầu, máy biến áp làm mát bằng không khí

1.3 Cấu tạo máy biến áp

Hình 2.2: Cấu tạo máy biến áp

Gồm hai bộ phận chính: lõi thép và dây quấn Ngoài ra còn có các phần phụ khác

Mạch từ, hay còn gọi là lõi thép, có chức năng dẫn từ thông chính trong máy Lõi thép được chế tạo từ vật liệu dẫn từ tốt, thường là thép kỹ thuật điện Để giảm tổn hao do dòng điện xoáy trong lõi, người ta sử dụng các lá thép mỏng (độ dày từ 0,35mm đến 0,5mm, với hai mặt được sơn cách điện) ghép lại với nhau Lõi thép bao gồm hai phần chính.

- Trụ từ: là nơi để đặt dây quấn

- Gông từ: là phần khép kín mạch từ giữa các trụ Trụ từ và gông từ tạo thành mạch từ khép kín

Lõi thép có nhiều dạng như: Chữ E, I; Chữ U,I, dạng nhiều trụ (hình 2.1)

Hình 2.1: Sơ đồ mạng truyền tải đơn giản a Dạng chữ E, I b Dạng chữ U, I c Dạng 3 trụ

Hình 2.3: Các dạng lõi thép của

Dây quấn là bộ phận quan trọng trong máy biến áp (MBA), có chức năng thu nhận và truyền tải năng lượng Chúng thường được chế tạo từ đồng hoặc nhôm với các tiết diện tròn hoặc chữ nhật, và được bọc cách điện bên ngoài để đảm bảo an toàn trong quá trình hoạt động.

Dây quấn bao gồm nhiều vòng dây được lồng vào trụ lõi thép Giữa các vòng dây và các dây quấn có cách điện với nhau, đồng thời các dây quấn cũng được cách điện với lõi thép.

Cuộn sơ cấp là dây quấn nhận điện áp vào, với các đại lượng tương ứng được ký hiệu bằng chỉ số 1 Các thông số quan trọng bao gồm số vòng dây sơ cấp W1 (N1), điện áp sơ cấp U1, dòng điện sơ cấp I1 và công suất vào.

Dây quấn thứ cấp là phần nối với tải, bao gồm các đại lượng như số vòng dây thứ cấp W2 (N2), điện áp thứ cấp U2, dòng điện thứ cấp I2, và công suất vào P2, được ký hiệu bằng chỉ số 2.

Khi các dây quấn được bố trí trên cùng một trụ, dây quấn điện áp thấp nên đặt gần trụ từ, trong khi dây quấn cao áp được đặt lồng ra bên ngoài Cách sắp xếp này giúp giảm thiểu lượng vật liệu cách điện cần sử dụng.

1.3.3 Các phần phụ khác Để làm mát và tăng cường cách điện cho máy biến áp, người ta thường đặt lõi thép và dây quấn trong một thùng chứa dầu máy biến áp Với các máy công suất lớn, vỏ thùng dầu còn có cánh tản nhiệt Ngoài ra, còn có các sứ xuyên ra để đấu dây quấn ra ngoài, có bộ phận chuyển mạch để điều chỉnh điện áp, rơ le hơi để bảo vệ máy, bình dãn dầu, thiết bị chống ẩm…

1.3.4 Các đại lượng định mức

Các đại lượng định mức của máy biến áp được quy định bởi xưởng chế tạo nhằm đảm bảo máy hoạt động ổn định và bền bỉ trong thời gian dài.

Các đại lượng định mức cơ bản là: a Điện áp định mức:

 Điện áp sơ cấp định mức (U1đm): Là điện áp qui định cho dây quấn sơ cấp

Điện áp thứ cấp định mức (U2đm) là điện áp đo được giữa các cực của dây quấn thứ cấp khi máy biến áp hoạt động ở trạng thái không tải và điện áp cấp vào dây sơ cấp đạt giá trị định mức.

Với máy biến áp một pha: Điện áp thứ cấp định mức là điện áp pha.

Máy biến áp ba pha có điện áp thứ cấp định mức được biểu thị bằng điện áp dây, thường được ghi trên máy bằng đơn vị V hoặc kV Dòng điện định mức cũng là một yếu tố quan trọng cần lưu ý.

Dòng diện dây định mức là dòng điện đã qui định cho mỗi dây quấn của máy biến áp, ứng với công suất và điện áp định mức

 Dòng điện thứ cấp định mức (I2đm): Là dòng điện trong mạch thứ cấp của máy khi tải là định mức

 Dòng điện sơ cấp định mức (I1đm): Là dòng điện ở mạch sơ cấp của máy khi dòng điện ở thứ cấp là định mức

Với máy biến áp một pha: Dòng điện định mức là dòng điện pha

Với máy biến áp ba pha: Dòng điện định mức là dòng điện dây Đơn vị dòng điện ghi trên máy thường là A

Hình 2.4: Lõi thép đã lắp đặt vào cuộn dây

Công suất định mức (S đm) là công suất toàn phần, hay còn gọi là công suất biểu kiến hoặc dung lượng, được cung cấp tại dây quấn thứ cấp của máy biến áp khi hoạt động ở trạng thái định mức Đơn vị đo công suất định mức là VA hoặc kVA.

Với máy biến áp một pha công suất định mức là:

Sđm = U2đm I2đm = U1đm.I1đm

Với máy biến áp ba pha công suất định mức là:

Sđm = 3U2đm.I2đm = 3U1đm.I1đm

Máy biến áp ba pha

2.1 Cấu tạo Để biến đổi điện áp của hệ thống xoay chiều 3 pha người ta có thể dùng 3 máy biến áp một pha còn được gọi là MBA ba pha mạch từ riêng (hình 2.6) hoặc dùng máy biến áp 3 pha còn được gọi là MBA ba pha mạch từ riêng (hình 2.7)

Cấu tạo của máy biến áp 3 pha bao gồm 3 trụ, cuộn cao áp, cuộn hạ áp, trụ pha và ống lót cách điện Dây quấn sơ cấp được ký hiệu bằng chữ in hoa, trong đó pha A là AX, pha B là BY, và pha C là CZ Dây quấn thứ cấp được ký hiệu bằng chữ thường, với pha A là ax, pha B là by.

C kí hiệu cz Dây quấn sơ cấp và thứ cấp có thể nối hình sao hoặc tam giác

Nếu dây quấn sơ cấp nối hình sao và thứ cấp nối hình tam giác thì kí hiệu là

Hình 2.6: Ba máy biến áp 1 pha

MBA 3 pha mạch từ riêng, hay còn gọi là MBA 3 pha tổ hợp, bao gồm ba máy biến áp một pha hoàn toàn giống nhau được kết hợp lại với nhau.

-Dễ dàng vận chuyển, lắp đặt

-Chỉ cần một máy dự phòng cho cả ba pha

-Thuận lợi trong bảo trì, sửa chữa vì có thể tiến hành trên từng máy

-Tổng trọng lượng và thể tích lớn.

- Dùng cho máy biến áp công suất lớn

- Dùng cho máy biến áp ba pha cấp cho tải một pha (tải chiếu sáng)

2.1.2 MBA 3 pha mạch từ chung: Ở loại này mạch từ ba pha chung nhau gông từ, cuộn dây cao và hạ áp của mỗi pha quấn trên một trụ Cả ba pha đặt trong một vỏ chung nên còn gọi là MBA ba pha một vỏ.

-Sử dụng khối lượng thép làm mạch từ ít hơn so với MBA ba pha mạch từ riêng cùng công suất

-Bố trí hết ít diện tích

-Vận chuyển và lắp đặt khó khăn

-Khi hỏng phải sửa chữa hoặc thay thế toàn bộ máy

- Dùng phổ biến cho máy biến áp công suất nhỏ và trung bình

Các cuộn dây sơ cấp (cao áp) và thứ cấp (hạ áp) ba pha có thể đấu tam giác hoặc sao, có hoặc không có dây trung tính

Qui ước kí hiệu các đầu dây như sau:

-Cuộn sơ cấp (cao áp): Đầu đầu Đầu cuối

-Cuộn thứ cấp (hạ áp): Đầu đầu Đầu cuối

Người ta dùng các kí hiệu sau để chỉ cách đấu các cuộn dây:

Y là cuộn dây đấu sao không lấy trung tính ra

Yo là cuộn dây đấu sao có lấy trung tính ra

 là cuộn dây đấu tam giác

2.2.2 Các kiểu mắc dây quấn

Dây quấn máy biến áp có thể được mắc theo hai hình thức: hình sao (ký hiệu “Y”) và hình tam giác (ký hiệu “Δ”) Khi mắc hình sao, ba đầu X, Y, Z sẽ được nối lại với nhau, trong khi ba đầu A, B sẽ được kết nối theo cách khác.

C để tự do (hình 2.9) được ký hiệu bằng "Y0" khi mắc sao có dây trung tính Khi mắc tam giác, đầu cuối của pha này được nối với đầu đầu của pha kia theo thứ tự AX - BY - CZ.

Số vòng dây pha của một pha sơ cấp được ký hiệu là W1, trong khi số vòng dây pha của một pha thứ cấp là W2 Tỉ số điện áp pha giữa sơ cấp và thứ cấp được xác định dựa trên tỷ lệ giữa số vòng dây của hai pha này.

Tỉ số điện áp dây không những phụ thuộc vào số vòng dây mà còn phụ thuộc vào cách nối hình sao hay tam giác

Hình 2.9: Mắc hình sao dây quấn máy biến áp ba pha

Hình 2.10: Mắc hình tam giác dây quấn máy biến áp ba pha

Hình 2.11: Sơ đồ các tổ đấu dây máy biến áp 3 pha

Các máy biến áp đặc biệt

3.1 Máy biến áp tự ngẫu

MBA tự ngẫu, hay còn gọi là máy tự biến áp, là loại máy biến áp có cuộn sơ cấp và thứ cấp chung một cuộn dây Cuộn dây thứ cấp có thể là một phần của cuộn sơ cấp hoặc ngược lại Nguyên lý hoạt động của MBA tự ngẫu tương tự như máy biến áp thông thường, giúp chuyển đổi điện áp hiệu quả.

Máy tự biến áp một pha có công suất nhỏ, thường được sử dụng trong các phòng thí nghiệm và thiết bị, cho phép điều chỉnh điện áp đầu ra theo yêu cầu.

Máy tự biến áp 3 pha thường dùng để điều chỉnh điện áp khi mở máy các động cơ

3 pha a Máy biến áp tự ngẫu loại giảm áp

U 1 b Máy biến áptự ngẫu loại tăng ápHình 2.12: MBA tự ngẫu 1 pha

Tỉ số biến áp là: 1 1 2 1 2

Ta thay đổi vị trí tiếp điểm trượt a sẽ thay đổi được số vòng dây W 2 và do đó thay đổi được điện áp U2

Sơ đồ minh họa quá trình truyền tải năng lượng trong máy tự biến áp thông qua hai phương thức: điện và điện từ, khác với máy biến áp thông thường chỉ sử dụng điện từ giữa hai cuộn dây riêng biệt Do đó, máy tự biến áp có kích thước lõi thép nhỏ hơn và chỉ cần một cuộn dây, giúp tiết kiệm dây dẫn và giảm thiểu tổn hao năng lượng.

Máy tự biến áp có nhược điểm là mức độ an toàn không cao vì sơ cấp và thứ cấp liên hệ trực tiếp với nhau

3.2 Máy biến áp hàn (máy hàn điện)

Máy biến áp hàn là thiết bị chuyên dụng cho hàn hồ quang điện, được thiết kế với điện kháng tản lớn Đặc biệt, máy còn có cuộn kháng ngoài nhằm kiểm soát dòng điện hàn, đảm bảo không vượt quá 2 đến 3 lần dòng điện định mức.

Khi hàn, vật cần hàn được kết nối với một đầu cuộn thứ, trong khi đầu kia nối với que hàn Khi bắt đầu quá trình hàn, que hàn được chấm vào vật sẽ tạo ra dòng điện lớn, làm nóng vùng tiếp xúc Tiếp theo, que hàn được nhấc lên một khoảng nhỏ, tạo ra cường độ điện trường lớn, khiến không khí quanh tiếp điểm bị ion hóa, từ đó phát sinh dòng điện phóng qua và tạo nên hồ quang với nhiệt độ lên đến 3.000°C.

Để điều chỉnh dòng điện hàn, người dùng có thể thay đổi số vòng dây cuộn thứ cấp hoặc điều chỉnh điện kháng cuộn K bằng cách thay đổi khe hở không khí của lõi thép Máy biến áp hàn hoạt động theo chế độ ngắn mạch ngắn hạn thứ cấp, với điện áp định mức thứ cấp thường chỉ từ 60V đến 70V để đảm bảo an toàn khi sử dụng.

Bảo dưỡng và sửa chữa máy biến áp

4.1 Các nhóm hư hỏng thường gặp

Hiện tượng: Cấp nguồn, MBA không hoạt động

Để kiểm tra tiếp xúc điện hoặc đo điện áp ra của máy, bạn có thể sử dụng Ohm kế, đèn thử, hoặc Volt kế Những điểm có khả năng gây hở mạch cao bao gồm các ngõ vào ra, bộ phận chuyển mạch, đổi nối, và bộ phận cấp nguồn.

Hình 2.13: Nguyên lý máy biến áp hàn

1 Mạch từ; 5 Lõi thép điều chỉnh khe từ

2 Cuộn dây sơ cấp; 6 Tấm kim loại

3 Cuộn thứ cấp 7 Vật cần hàn

- Sửa chữa: hàn nối, cách điện tốt sau khi sửa chữa

- Hiện tượng: Cấp nguồn các thiết bị đóng cắt, bảo vệ tác động ngay, có hiện tượng nổ cầu chì hoặc cháy dây nguồn

- Nguyên nhân: Do chạm chập tại các đầu nối, đầu ra dây hoặc ráp sai mạch

- Kiểm tra: Dùng Ohm kế kiểm tra, quan sát bằng mắt Sửa chữa cách ly các đầu dây, xử lý cách điện.

- Hiện tượng: Điện áp tăng cao, máy nóng nhiều, rung có tiếng kêu lạ

- Nguyên nhân: Do chạm chập tại các đầu nối, đầu ra dây hoặc ráp sai mạch, hư hỏng ở gallett

- Kiểm tra: Đo điện áp vào/ra, đối chiếu với tính toán; sửa chữa cách ly các đầu dây, xử lý cách điện

- Hiện tượng: chạm vỏ máy bị điện giật

- Nguyên nhân: Lõi thép chạm cuộn dây và chạm ra vỏ; do các đầu nối chạm vỏ hoặc gallett bị chạm

- Kiểm tra: Kiểm tra cách điện bằng mêga Ohm kế hoặc Volt kế (không dùng bút thử điện do dòng điện cảm ứng) sau đó xử lý cách điện

4.2 Một số hư hỏng cụ thể đối với MBA gia dụng

TƯỢNG NGUYÊN NHÂN CÁCH KHẮC PHỤC

1 Máy biến áp không hoạt động khi có điện vào

- Hở đường dây cấp nguồn.

- Không tiếp xúc ở cọc nối dây hoặc galleet không tiếp xúc

- Kiểm tra đường dây cấp nguồn.

- Làm vệ sinh cọc nối hoặc galleet

2 Máy biến áp nóng và có tiếng kêu lớn

- Lõi thép không được ép chặt

- Cuộn dây quấn không chặt

- Quá áp do quấn thiếu số vòng hoặc chọn B quá cao hoặc dây quấn bị chạm chập

- Dùng xà ép gông hoặc gỗ, giấy nêm chỗ hở

- Gia cố bằng cách tẩm vẹc ni

- Kiểm tra số liệu tính toán, kiểm tra bộ dây và quấn lại

3 Chạm vào vỏ máy bị điện giật

- Các đầu dây chạm vỏ

- Lõi thép chạm cuộn dây và chạm ra vỏ

- Tháo lõi thép, xử lý chỗchạm sau đó ráp lại

4 Cấp nguồn cho MBA cầu chì nổ ngay

- Ngắn mạch tại công tắc, galleet hoặc các đầu dây ra

- Đặt sai vị trí của galleet G1 hoặc G2

- Kiểm tra, xử lý chổ ngắn mạch

- Kiểm tra chỉnh lại vị trí của các galleet cho phù hợp

5 Điện áp ra không ổn định lúc có, lúc không

- Đường dây nguồn tiếp xúc chập chờn

- Galleet hoặc cọc nối tiếp xúc không tốt

- Làm vệ sinh, tăng cường tiếp xúc đường dây

- Làm vệ sinh, tăng cường tiếp xúc ở galleet, cọc nối

6 Điện áp tăng quá định mức chuông không báo

- Đứt mạch chuông hoặc starter không làm việc

- Dời đường dây chuông đến vị trí phù hợp.

- Kiểm tra bằng VOM, xử lý chỗ đứt hoặc thay mới starter

7 Điện áp bình thường nhưng đồng hồ báo sai

- Đồng hồ giảm độ chính xác do quá tuổi thọ

- Đứt hoặc hở mạch ở cuộn cảm ứng

- Kiểm tra bằng VOM, nối lại mạch

- Kiểm tra bằng VOM, nối lại chỗ đứt hoặc quấn lại cuộn cảm ứng

1 Mô tả cấu tạo và trình bày nguyên lý làm việc của máy biến áp 1 pha

2 Vẽ sơ đồ các tổ đấu dây máy biến áp ba pha

3 Trình bày công dụng của máy biến áp tự ngẫu

4 Tại sao trong máy biến áp hàn lại mắc thêm cuộn kháng

5 Các sự cố thông thường xảy ra ở máy biến áp: Hiện tượng, nguyên nhân và phương pháp sửa chữa

6 Một máy biến áp 1 pha được định mức ở 500 kVA, 2300 V/460 V Máy biến áp có

200 vòng ở cuộn 2300 V Tìm số vòng ở cuộn hạ áp và dòng điện trong mỗi cuộn

7 Cuộn sơ cấp và thứ cấp của một máy biến áp có số vòng lần lượt là 600 vòng và

Đặt điện áp xoay chiều 380V vào 2 đầu cuộn sơ cấp có 120 vòng Tính điện áp giữa 2 đầu cuộn thứ cấp Khi nối 2 đầu cuộn thứ cấp với điện trở R = 100Ω, tính cường độ dòng điện chạy trong cuộn sơ cấp, giả định bỏ qua mọi hao phí ở máy biến áp.

8 Tải 20 MW điện năng từ nhà máy về thành phố, điện trở trên đường dây tải là r 2Ω, hệ số công suất của toàn hệ thống cosφ = 0,85; điện áp tại nhà máy là 22kV Hỏi trong một ngày đêm mất bao nhiêu tiền? Biết rằng giá tiền điện là 1500 VNĐ/1kWh

9 Một máy biến áp 1 pha 1000 kVA, 22000V/2200V làm việc với 40 V/vòng Tìm số vòng cuộn cao áp, hạ áp và cường độ dòng điện trong mỗi cuộn dây.

10 Một máy biến áp ba pha có tỉ số vòng dây pha là N 1 /N2 = 2 Xác định tỉ số điện áp dây khi đấu ∆/∆, Y/Y, Y/∆, ∆/Y

11 Một máy biến áp ba pha có dây quấn sơ cấp đấu sao Điện áp dây quấn sơ cấp của máy là 20 000V Số vòng dây mỗi pha của dây quấn sơ cấp và thứ cấp là 4000 vòng và

Để tính điện áp dây và điện áp pha thứ cấp cho máy biến áp 140kVA, cần xem xét hai trường hợp: dây thứ cấp đấu sao với dây trung tính và đấu tam giác Trong trường hợp đấu sao, điện áp pha sẽ bằng điện áp dây chia cho căn bậc hai của 3, trong khi đó, với đấu tam giác, điện áp pha sẽ bằng điện áp dây Đồng thời, cần tính dòng điện dây và dòng điện pha của dây quấn thứ cấp cho cả hai phương thức đấu dây này.

Phương pháp thực hiện câu hỏi và bài tập

- Vấn đáp, trực quan (xem video): câu 1, 2, 3

- Bài tập nhóm: câu 6 → câu 11

Yêu cầu về đánh giá kết quả học tập chương 2

Máy biến áp một pha có cấu tạo đơn giản với hai cuộn dây: cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp, hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ Cuộn sơ cấp nhận điện áp đầu vào, trong khi cuộn thứ cấp cung cấp điện áp đầu ra, với tỉ lệ điện áp phụ thuộc vào số vòng dây của từng cuộn Việc xác định các đầu dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp là rất quan trọng để đảm bảo máy biến áp hoạt động hiệu quả và an toàn.

Máy biến áp ba pha có cấu tạo và nguyên lý làm việc đặc trưng, bao gồm ba cuộn dây và lõi sắt, giúp chuyển đổi điện năng giữa các cấp điện áp Ngoài ra, các loại máy biến áp đặc biệt trong lĩnh vực cơ khí cũng có thành phần cấu tạo riêng, nguyên lý hoạt động độc đáo và công dụng thiết thực, phục vụ cho nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp.

+ Xác định được các đầu dây cuộn sơ cấp và thứ cấp

Bảo dưỡng máy biến áp gia dụng giúp khắc phục các hư hỏng thường gặp, đảm bảo hiệu suất hoạt động Đồng thời, việc vận dụng công thức giải bài tập liên quan đến máy biến áp sẽ hỗ trợ người học nắm vững kiến thức và áp dụng vào thực tiễn.

- Năng lực tự chủ và trách nhiệm:

+ Tích cực, tự giác, chủ động và sáng tạo trong học tập và nghiên cứu bài

ĐỘNG CƠ ĐIỆN

Khái niệm chung về động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha

Máy điện không đồng bộ là một loại máy điện xoay chiều hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, trong đó tốc độ quay của rôto (n) không trùng khớp với tốc độ từ trường quay (n1), được gọi là tốc độ đồng bộ.

Máy điện không đồng bộ, giống như các máy điện quay khác, có tính thuận nghịch, cho phép hoạt động cả ở chế độ động cơ điện và chế độ máy phát điện.

Máy phát điện không đồng bộ có hiệu suất làm việc kém hơn so với máy phát điện đồng bộ, do đó ít được sử dụng Chương này sẽ tập trung vào nghiên cứu động cơ không đồng bộ, loại động cơ có cấu tạo đơn giản, dễ vận hành và bảo trì, giá thành thấp, và độ tin cậy cao, nên được ưa chuộng trong sản xuất và sinh hoạt Động cơ không đồng bộ bao gồm các loại: động cơ 3 pha, 2 pha và 1 pha Động cơ điện có chức năng chuyển đổi điện năng thành cơ năng, cung cấp nguồn động lực cho máy móc và thiết bị trong công nghiệp, nông nghiệp và đời sống hàng ngày Trong ô tô, động cơ điện được sử dụng làm máy khởi động Động cơ điện không đồng bộ có công suất lớn trên 600W thường là loại ba pha với ba dây quấn lệch nhau 120 độ trong không gian.

Động cơ công suất nhỏ dưới 600W thường là động cơ hai pha hoặc một pha Động cơ hai pha được cấu tạo với hai dây quấn làm việc, đặt lệch nhau 90 độ trong không gian Trong khi đó, động cơ điện một pha chỉ sử dụng một dây quấn làm việc.

Trong sản xuất công nghiệp, nguồn động lực được sử dụng trên 90% là động cơ không đồng bộ ba pha

Cấu tạo của máy điện không đồng bộ gồm 2 bộ phận chủ yếu là stato và rôto

Hình 3.1: Stato của máy điện không đồng bộ

Stato là phần tĩnh gồm 2 bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy a Lõi thép

Lõi thép là bộ phận dẫn từ, được chế tạo từ thép lá kỹ thuật điện với độ dày 0,35 mm hoặc 0,5 mm Mỗi lá thép này đều được phủ một lớp sơn cách điện trên bề mặt để tăng cường hiệu suất và độ bền.

Các lá thép được ghép chặt với nhau tạo thành hình trụ rỗng Mặt trong của lõi thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn b Dây quấn

Dây quấn stato của động cơ không đồng bộ ba pha bao gồm ba cuộn dây giống nhau AX, BY, CZ, được đặt lệch nhau 120 độ trong rãnh lõi thép Các đầu dây của cuộn dây được kết nối tới hộp đấu dây và có thể được mắc theo hình sao hoặc tam giác tùy thuộc vào điện áp dây của nguồn điện và điện áp định mức của mỗi cuộn dây Dây quấn stato được làm từ dây dẫn bọc cách điện và được lắp đặt trong các rãnh của lõi thép Sơ đồ khai triển dây quấn ba pha trong 12 rãnh cho thấy dây quấn pha A nằm trong các rãnh 1, 4, 7, 10; pha B trong các rãnh 3, 6, 9, 12; và pha C trong các rãnh còn lại.

Dòng điện xoay chiều ba pha trong dây quấn stato tạo ra từ trường quay, giúp vận hành máy hiệu quả Vỏ máy, thường được làm bằng gang hoặc nhôm, có chức năng cố định và bảo vệ lõi thép cùng bộ dây quấn, đồng thời làm giá đỡ cho rôto quay trong lòng stato Để cải thiện khả năng tản nhiệt, vỏ máy thường được thiết kế với các cánh tản nhiệt dạng khía rãnh.

Rôto của máy điện bao gồm ba phần chính: lõi thép, dây quấn và trục máy Lõi thép được cấu tạo từ các lá thép kỹ thuật điện có bề mặt sơn cách điện, được ghép lại với nhau Bên ngoài lõi thép có các rãnh để đặt dây quấn rôto, và ở giữa có lỗ để lắp trục Dây quấn của rôto có hai loại khác nhau, phục vụ cho các mục đích sử dụng khác nhau trong máy điện.

Rôto kiểu lồng sóc, hay còn gọi là rôto ngắn mạch, bao gồm các thanh dẫn bằng đồng hoặc nhôm được đặt trong các rãnh của lõi thép Hai đầu của các thanh dẫn được kết nối với hai vòng ngắn mạch bằng đồng hoặc nhôm, tạo thành một cấu trúc giống như lồng sóc Đối với lồng sóc bằng đồng, các thanh dẫn được chế tạo từ bên ngoài, sau đó được lồng vào các rãnh và hàn với vòng ngắn mạch.

Hình 3.6: Động cơ không đồng bộ 44 rôto lồng sóc

Hình 3.7: Động cơ không đồng bộ rôto dây quấn

Rô to lồng sóc của động cơ không đồng bộ thường được chế tạo bằng nhôm, với lõi thép được đúc thành lồng sóc liền khối Hai vòng ngắn mạch được thiết kế thêm cánh quạt gió để làm mát máy, giúp tăng hiệu suất hoạt động.

Cánh quạt của rôto lồng sóc bằng đồng cũng như rôto dây quấn, được chế tạo rời và lắp trên trục

Rôto kiểu dây quấn gồm ba cuộn dây đặt lệch nhau 120 độ trong rãnh lõi thép, với ba đầu cuộn dây nối lại thành hình sao và ba đầu dây còn lại nối với ba vòng trượt bằng đồng Ba chổi điện tỳ lên vòng trượt kết nối các đầu dây với biến trở bên ngoài Các cuộn dây được cách điện cẩn thận với lõi thép Động cơ lồng sóc phổ biến nhờ giá thành rẻ và hoạt động ổn định, trong khi động cơ rôto dây quấn có ưu điểm về khả năng mở máy và điều chỉnh tốc độ, nhưng chi phí cao và độ tin cậy kém hơn, nên thường chỉ được sử dụng khi động cơ lồng sóc không đáp ứng được yêu cầu truyền động.

Kết cấu của động cơ điện không đồng bộ rôto lồng sóc và rôto dây quấn được trình bày trên hình 3.6 và hình 3.7.

Hình 3.4: Cấu tạo rô to dây quấn động cơ không đồng bộ Hình 3.5: Sơ đồ mạch điện rô to dây quấn

1 Dây quấn rôto 4 Trục quay.

Trục máy được chế tạo từ các loại thép chất lượng cao, đảm bảo độ bền và khả năng chống mài mòn tốt Trục này được ghép chặt vào lõi thép của rôto, với hai đầu được gắn hai bạc đạn Hai bạc đạn này được kết nối với hai nắp máy, cho phép rôto quay mượt mà trong lòng stato.

1.3.1 Sự hình thành từ trường quay

Hoạt động của động cơ không đồng bộ phụ thuộc vào chuyển động của rôto so với từ trường quay, được tạo ra bởi dòng điện trong các cuộn dây stato.

Ta xét một mô hình đơn giản của mạch từ stato gồm 6 rãnh trong đó đặt ba dây quấn đối xứng AX, BY, CZ trên stato

Ba dây quấn được đặt lệch nhau một góc

120 0 trong không gian như hình 3.8

Dòng điện ba pha đưa vào ba dây quấn của máy điện được giả định là đối xứng, với các biểu thức dòng điện lần lượt là: iA = Im sin ωt, iB = Im sin (ωt - 120°) và iC = Im sin (ωt - 240°).

Khi dòng ba pha đi vào cuộn dây AX, BY, CZ như hình 3.8 trên đó ta quy định như sau:

Dòng điện pha dương có chiều từ đầu đến cuối pha, với đầu được ký hiệu là  và cuối là Ngược lại, dòng điện pha âm sẽ được ký hiệu theo chiều ngược lại.

Xét từ trường tại 3 thời điểm khác nhau như sau:

Các đại lượng định mức của động cơ không đồng bộ

Các đại lượng định mức của động cơ thể hiện điều kiện kỹ thuật, được quy định bởi các nhà thiết kế và chế tạo Thông tin này được ghi trên thẻ máy, gắn liền với thân máy, đóng vai trò quan trọng trong việc sử dụng, kiểm tra, bảo dưỡng và sửa chữa động cơ.

2.1 Công suất định mức ở đầu trục (P đm ) Đây là công suất cơ, nói lên khả năng sinh công của động cơ Đơn vị tính: W, kW hoặc HP (sức ngựa)

2.2 Điện áp định mức U đm (V)

Là điện áp cho phép đặt vào bộ dây quấn stato của động cơ

Trên nhãn máy, thường có hai giá trị điện áp được ghi rõ, tương ứng với cách đấu dây giữa ba pha của động cơ, thể hiện dưới dạng Ud/UP hoặc UP/Ud.

- Nhãn máy ghi /Y – 220V/380V, nghĩa là:

+ Khi nguồn ba pha có Ud = 220V thì dây quấn ba pha của động cơ được đấu  + Khi nguồn ba pha có U d = 380V thì đấu Y

- Nhãn máy ghi /Y – 380V/660V, nghĩa là:

+ Khi nguồn ba pha có U d = 380V thì dây quấn ba pha của động cơ được đấu  + Khi nguồn ba pha có U d = 660V thì đấu Y

2.3 Dòng điện định mức I đm (A)

Là giá trị dòng điện dây ở mạch stato khi điện áp đặt vào động cơ là định mức và trục động cơ kéo phụ tải định mức.

Trên nhãn máy cũng thường ghi hai trị số dòng điện

Ví dụ: 6,6A/3,8A đó là cường độ dòng điện dây tương ứng với cách đấu  và Y

2.4 Tốc độ quay định mức n đm (vg/ph)

Là tốc độ quay của rôto khi điện áp đặt vào là định mức và mômen cản trên trục động cơ là định mức

2.5 Tần số nguồn định mức f đm (Hz)

Tần số thông thường ở nước ta là 50 Hz

2.6 Hiệu suất định mức  đm

Là tỉ số giữa công suất trên trục động cơ và công suất điện mà động cơ tiêu thụ khi phụ tải định mức

2.7 Hệ số công suất định mức cos đm Đặc trưng cho khả năng tận dụng của thiết bị điện để biến năng lượng của nguồn thành công có ích

Khi vận hành, động cơ sẽ trải qua quá trình tăng nhiệt độ cho đến khi đạt mức ổn định Mỗi loại động cơ có giới hạn nhiệt độ cho phép khác nhau, phụ thuộc vào vật liệu chế tạo Thông tin về độ tăng nhiệt này thường được ghi rõ trên nhãn máy.

Khi động cơ hoạt động, nếu nhiệt độ vượt quá mức cho phép, cần phải ngừng máy ngay để kiểm tra Việc này rất quan trọng, vì nếu không thực hiện, tuổi thọ của động cơ sẽ giảm sút, thậm chí có thể dẫn đến nguy cơ cháy nổ.

Một động cơ có độ tăng nhiệt cho phép là 60°C Nếu nhiệt độ môi trường là 25°C, nhiệt độ cao nhất mà động cơ có thể đạt được khi hoạt động là 85°C, được tính bằng cách cộng 60°C với 25°C.

Đấu dây và vận hành đảo chiều quay

-Điện áp pha của động cơ (UpĐC): là điện áp định mức của một cuộn dây pha (2 đầu của cùng một pha)

-Điện áp dây của động cơ: là điện áp định mức của 2 đầu cùng cực tính của 2 pha khác nhau (UdĐC = 3 UpĐC )

-Đấu dây hình sao (Y): thực hiện bằng cách đấu chung 3 đầu cùng cực tính với nhau, 3 đầu còn lại đấu với nguồn cung cấp

Đấu tam giác (Δ) là phương pháp kết nối các cuộn dây theo thứ tự cuối của cuộn này với đầu của cuộn dây kia, tạo thành một mạch kín Nguồn điện được cấp vào các điểm đấu chung, tức là các đỉnh của tam giác.

3.2 Đấu dây vận hành ĐKB 3 pha khi vận hành có thể đấu sao (Y) (hình 3.15a) hoặc đấu tam giác (Δ) (hình 3.15b) tùy vào điện áp dây của nguồn và điện áp định mức của động cơ

Sơ đồ đấu dây được chọn theo biểu thức:

Vd: ĐKB 3 pha trên nhãn có ghi 220V/380V

3.2.1 Cách đấu dây bộ dây stato có 6 đầu dây

- Bộ dây stato có 6 đầu dây Ở hộp đấu dây động cơ thường bố trí 6 đầu dây 3 pha của bộ dây stato

Y 3 a Sơ đồ đấu Y ĐKB 3 pha

Z C b Sơ đồ đấu  ĐKB 3 pha Hình 3.15: Các cách đấu dây ĐKB 3 pha

Khi trên nhãn động cơ ghi Uđm = Y/∆ = 380V/220V thì khi lưới điện dẫn vào động cơ có điện áp 380 V ta đấu hình sao (hình 3.16 b) vì: d 3 p

- Đấu theo hình tam giác (∆)

Khi điện áp lưới điện dẫn vào động cơ là 220 V ta đấu hình tam giác (hình 3.16c) vì Ud = Up

Hình 3.16 3.2.2 Cách đấu dây bộ dây stato 9 đầu dây

Ngoài động cơ có 6 đầu dây, còn có loại động cơ 9 đầu dây hoạt động theo chế độ Y/YY, cho phép đấu sao nối tiếp hoặc sao song song tùy thuộc vào điện áp lưới của nguồn cung cấp.

Hình sao nối tiếp: khi điện áp lưới dẫn vào động cơ 440 V ta đấu hình sao nối tiếp (hình 3.17 a)

Hình sao song song: khi điện áp lưới dẫn vào động cơ 220 V ta đấu hình sao song song (hình 3.17 b)

3.3 Đảo chiều quay động cơ không đồng bộ 3 pha

Trong quá trình vận hành của nhiều loại máy móc công nghiệp, có những thời điểm cần đảo chiều quay của động cơ để chuyển sang chế độ làm việc khác Chẳng hạn, trong quá trình cắt ren của máy tiện, hoặc trong hoạt động nâng hạ của cầu thang máy và băng tải.

Để đảo chiều quay của động cơ 3 pha, cần thay đổi chiều từ trường quay, vì chiều quay của động cơ 3 pha luôn song song với chiều của từ trường này.

3.3.2 Cách thực hiện Để đảo chiều từ trường quay, người ta chỉ việc hoán vị thứ tự 2 trong 3 pha của nguồn cung cấp Đây chính là phương pháp để đảo chiều ĐKB 3 pha

* Trình tự vận hành: Đóng cầu dao ở vị trí phía trên

(1), động cơ quay theo chiều phải Đảo cầu dao xuống dưới (2) động cơ quay ngược lại Hình 3.18 : Đảo chiều quay ĐKB 3 pha

Hình 3.19: Sơ đồ lắp đặt mạch điện đảo chiều quay của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha bằng cầu dao đảo pha

Mở máy động cơ không đồng bộ ba pha

4.1 Đặc điểm quá trình mở máy

Quá trình mở máy động cơ bắt đầu khi điện được cấp vào động cơ, trong khi rôto vẫn đứng yên, và kéo dài cho đến khi động cơ đạt được tốc độ làm việc ổn định.

-Thời gian mở máy thường khoảng vài giây đến vài chục giây phụ thuộc vào công suất của động cơ cũng như phụ tải trên trục động cơ

Dòng điện mở máy I mm là dòng điện chạy vào dây quấn stato khi động cơ được khởi động Ở điện áp và phụ tải định mức, dòng điện mở máy có giá trị rất lớn: đối với động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc, I mm dao động từ (4 đến 7) lần dòng định mức I đm; trong khi đó, đối với động cơ không đồng bộ rôto dây quấn, I mm có thể từ (10 đến 20) lần I đm, thậm chí có thể đạt tới 30 lần I đm Dòng điện mở máy lớn như vậy có thể gây sụt áp lớn trên lưới điện nếu không đủ công suất, ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị điện khác và kéo dài quá trình khởi động của động cơ, thậm chí khiến động cơ không khởi động được.

Khi khởi động máy động cơ, cần tìm cách hạn chế dòng điện khởi động trong giới hạn cho phép Việc lựa chọn phương pháp khởi động phù hợp cần xem xét các yêu cầu cơ bản sau đây.

4.2 Yêu cầu kỹthuật khi mở máy

-Bội số dòng mở máy k Imm dm mm

-Bội số momen mở máy k M dm mm

Vì mômen tỉ lệ với dòng điện, nên hai điều kiện này mâu thuẫn nhau Do đó, khi xem xét riêng từng điều kiện, chúng ta không thể thỏa mãn cả hai đồng thời.

Để đảm bảo mômen mở máy không quá nhỏ và dòng điện mở máy không quá lớn, người ta cần xác định một giới hạn trung gian chấp nhận được thông qua hệ số mômen riêng.

Im càng lớn càng tốt Để đảm bảo k R tương đối lớn thì dòng điện mở máy vào khoảng: I mm = (2  2,5)Iđm

4.3 Các phương pháp mở máy động cơ rôto lồng sóc

Khi mở máy, chỉ cần kết nối trực tiếp động cơ vào nguồn điện định mức, như thể hiện trong sơ đồ hình 3.20 Phương pháp này chỉ phù hợp với động cơ rôto lồng sóc có công suất nhỏ và khi mở máy không tải hoặc tải nhẹ.

- Dễ thực hiện, ít tốn kém

- Chỉ áp dụng cho ĐKB rôto lồng sóc

- Dòng điện mở máy cao hơn giá trị cho phép

4.3.2 Mở máy bằng cách giảm điện áp nguồn

Khi khởi động động cơ rôto lồng sóc, dòng điện khởi động có thể tăng gấp 4 đến 7 lần so với dòng định mức Hình 3.20 minh họa quá trình mở máy trực tiếp với ĐKB 3 pha.

Hiện tượng giảm điện áp nguồn khi khởi động động cơ công suất lớn gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến các thiết bị điện cùng tuyến, đặc biệt là khi động cơ tải nặng Để giảm thiểu tác động này, có thể đấu nối cuộn dây stato với cuộn kháng hoặc máy biến áp tự ngẫu, giúp giảm điện áp đặt vào cuộn dây và dòng điện khởi động Sau khi khởi động hoàn tất, các thiết bị này sẽ được ngắt kết nối để động cơ hoạt động ở chế độ định mức.

- Dòng điện mở máy giảm nhỏ trong phạm vi cho phép

- Momen mở máy cũng giảm nhỏ (momen tỉ lệ với bình phương điện áp nên momen sẽ giảm rất nhanh)

- Tốn kém, phức tạp, phải sử dụng các mạch điện và khí cụ thích hợp

Thường áp dụng các cách sau đây: a Mở máy bằng cuộn kháng

Để thực hiện, cần nối tiếp cuộn kháng mở máy vào dây quấn stato Sau khi máy được khởi động, cuộn kháng sẽ được cắt ra bằng thiết bị phù hợp.

Trong sơ đồ hình 3.21, khi khởi động, cầu dao CD 1 được đóng, khiến điện áp nguồn suy giảm một phần trên cuộn kháng CK, phần còn lại cấp cho động cơ mở máy Sau khi động cơ quay ổn định, cầu dao CD 2 được đóng, loại bỏ cuộn kháng do ngắn mạch hai đầu cuộn kháng, và động cơ hoạt động ở trạng thái định mức, kết thúc quá trình mở máy Để đảm bảo mô men và dòng điện mở máy trong giới hạn cho phép, giá trị sụt áp trên cuộn kháng thường được tính toán vào khoảng

30% điện áp định mức của động cơ b Mở máy bằng biến áp tự ngẫu

Thực hiện tương tự như phương pháp dùng cuộn kháng nhưng ở đây cuộn kháng được thay bằng máy biến áp tự ngẫu

Khi khởi động máy, cần điều chỉnh giảm điện áp nguồn cung cấp cho động cơ Sau khi quá trình khởi động hoàn tất, điện áp sẽ được tăng lên để động cơ hoạt động với nguồn định mức.

Trong sơ đồ hình 3.22, khi bắt đầu khởi động thì đóng cầu dao CD 1 và CD2, còn cầu dao Hình 3.22: Mở máy bằng BATN áp þ þ þ

Hình 3.21: Sơ đồmở máy bằng cuộn kháng

CD3 đặt ở vị trí số 1, điện áp cấp cho động cơ được lấy từ máy BATN Sau khi khởi động xong thì đảo

CD3 về vị trí số 2 để cấp nguồn trực tiếp, đồng thời cắt CD 2 để cô lập luôn BATN

- Khi điện áp giảm đi k lần thì dòng điện mở máy sẽ giảm k 2 lần mà tỉ số mômen riêng không đổi

- Đây là ưu điểm nổi bật khi dùng BATN so với dùng cuộn kháng, nhưng phương pháp này tốn kém nhiều hơn c Phương pháp mở máy Y- 

Phương pháp mở máy Y-∆ là một giải pháp hiệu quả cho các động cơ có cuộn dây stato đấu hình tam giác, giúp khởi động động cơ ở chế độ định mức mà không cần trang bị điện cồng kềnh Phương pháp này giảm thiểu việc bổ sung thiết bị cho mạch động lực, mang lại sự tiện lợi và hiệu suất cao trong quá trình khởi động.

Khi khởi động động cơ theo phương pháp đấu Y, sau khi khởi động xong, cần chuyển sang đấu Δ để động cơ hoạt động hiệu quả Việc này giúp giảm điện áp cung cấp cho các cuộn pha của động cơ.

Khi khởi động động cơ, dòng mở máy sẽ giảm dần Theo sơ đồ hình 3.15b, quá trình khởi động bắt đầu bằng cách đóng CD 1 và đặt CD 2 ở vị trí số 1, kết nối dây theo hình Y Sau khi động cơ khởi động hoàn tất, CD 2 sẽ được chuyển về vị trí số 2 để chuyển sang kết nối dây quấn stato theo hình Δ.

- Khi mở máy sao – tam giác điện áp trên mỗi cuộn dây pha giảm đi 3 lần, tương ứng dòng điện dây vào động cơ giảm đi 3 lần

Phương pháp này có nhược điểm là mô men khởi động giảm tới ba lần, dẫn đến thời gian khởi động kéo dài, đặc biệt là đối với động cơ hoạt động dưới tải nặng.

Động cơ điện vạn năng

6.1 Khái quát chung về động cơ điện vạn năng

Động cơ điện vạn năng, được sử dụng phổ biến trong công nghiệp và thiết bị sinh hoạt, có khả năng hoạt động với cả dòng điện một chiều và xoay chiều Loại động cơ này thường được ứng dụng trong các thiết bị như máy xay sinh tố, máy bơm nước gia đình và máy khoan điện cầm tay Đặc điểm nổi bật của động cơ điện vạn năng là mô men mở máy lớn so với các động cơ cùng công suất, giúp dễ dàng điều chỉnh tốc độ Tuy nhiên, khi làm việc không tải, động cơ có thể đạt tốc độ cao, gây nguy cơ hư hỏng cho dây quấn.

Hình 3.21: Cực từ ĐKB 1 pha sử dụng vòng ngắn mạch

Hình 3.22: Nêm từ tính ĐKB 1 pha sử dụng vòng ngắn mạch

Vòng ngắn mạch Cực từ

Động cơ vạn năng thường được lắp đặt với hệ thống cơ khí truyền động để giảm tác động của lực ly tâm Do đó, động cơ này luôn khởi động trong điều kiện có tải Để giảm thiểu các ảnh hưởng tiêu cực từ phản ứng và quá trình đổi chiều dòng điện, việc thiết kế điện áp giữa các phiến góp trên cổ góp cần có giá trị nhỏ.

Hình 3.23: Động cơ điện vạn năng

6.2 Cấu tạo: Gồm 2 phần chính là stato và rôto

Vỏ của thiết bị là một ống thép được gia công mặt trong, bên trong có gắn các khối cực từ để giữ các cuộn dây kích thích Thông thường, vỏ này sẽ có từ 2 đến 4 khối cực từ Ngoài ra, trên vỏ còn được gắn các cọc nối dây cách điện, giúp dẫn điện từ nguồn vào stato.

- Cực từ được chế tạo bằng thép ít cacbon để có đặc tính dẫn từ tốt và được bắt vào trong thân bằng các vít đặc biệt

Cuộn dây kích thích đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra từ trường chính xác cho các khối cực Nó được quấn bằng dây đồng dẹp hoặc tròn có tiết diện lớn, bao quanh các khối cực từ khoảng 4.

Phần cuộn dây kích thích nối tiếp gồm 10 vòng, trong khi cuộn dây song song có tiết diện nhỏ hơn nhưng quấn nhiều vòng để duy trì cường độ từ cảm đồng nhất trên các cực từ Dây kích thích cần có kích thước lớn do dòng điện tiêu thụ khi máy khởi động có thể đạt từ 200 A đến 800 A, thậm chí còn cao hơn Các cuộn dây kích thích được quấn ngược chiều nhau nhằm tạo ra các cực Bắc và Nam khác nhau, giúp kết nối mạch từ giữa các khối cực của máy.

Ở các máy khởi động công suất nhỏ, cuộn dây được kết nối theo kiểu nối tiếp, trong khi đối với máy khởi động có công suất lớn và trung bình, các cuộn dây thường được đấu theo kiểu song song – nối tiếp.

Hình 3.23: Vỏ, cực từ, cuộn dây kích thích 6.2.2 Rô to (phần ứng)

Rôto động cơ điện vạn năng được chế tạo từ khối thép từ dày, bao gồm các lá thép kỹ thuật điện dày 0,35 – 0,5 mm, có hình dạng đặc biệt ép lên trục rôto Bên ngoài rôto có nhiều rãnh dọc để quấn dây, và rôto được đỡ trên 2 bạc thau, quay bên trong các khối cực của stato với khe hở tối thiểu nhằm giảm thiểu tổn hao năng lượng từ trường.

Khung dây phần ứng trong rôto động cơ điện vạn năng bao gồm các dây quấn bằng đồng có tiết diện hình chữ nhật hoặc tròn Mỗi rãnh thường chứa 2 dây quấn, được cách điện với lõi rôto Các đầu dây của khung dây được hàn vào các lá góp bằng thau của cổ góp.

Cổ góp điện: gồm nhiều lá góp bằng nhau, ghép quanh trục, giữa các lá góp được cách điện với nhau và cách điện với trục bằng mica

Nắp và giá đỡ chổi than thường được chế tạo từ gang hoặc nhôm, bên trong được trang bị các bạc thau để kết nối với trục rôto Ngoài ra, sản phẩm còn có các chốt định vị giúp lắp đặt chính xác vào thân động cơ.

Chổi than được sản xuất từ bột than, bột đồng và thiếc, hoặc đồng với graphit, được ép với áp suất cao để giảm điện trở và mức mài mòn Các chổi than điện được kết nối với dây dẫn điện và thường sử dụng 4 hoặc 2 chổi cho động cơ điện vạn năng, với chổi than được cách điện khỏi thân máy.

6.3 Nguyên lý làm việc Động cơ điện vạn năng có các đường thẳng (trục) đặc biệt trong kết cấu của động cơ như sau: Đường thẳng đi qua giữa hai mặt cực từ của stato đượcgọi là trục cực từ của stato. Đường thẳng vuông góc với trục cực từ của stato một góc 90 0 , được gọi là đường trung tính hình học Đường thẳng đi qua hai trục của chổi than gọi là trục chổi than

Hình 3.24: Sơ đồ mặt cắt ngang của động cơ vạn năng

Khi dòng điện xoay chiều được cung cấp cho động cơ, từ trường của phần cảm tác động lên cuộn dây phần ứng, tạo ra lực điện từ khiến rôto quay Khi dòng điện chuyển sang bán kỳ âm, chiều từ trường phần cảm cũng thay đổi, nhưng lực tác động lên rôto vẫn giữ nguyên chiều, cho phép động cơ quay liên tục theo một hướng nhất định.

Khi kết nối với nguồn điện một chiều, dòng điện trong dây quấn phần ứng và từ trường phần cảm tương tác với nhau, tạo ra lực điện từ và mômen quay để quay rôto Nhờ vào vành đổi chiều, dòng điện một chiều được chuyển đổi thành dòng điện xoay chiều cho dây quấn phần ứng Do đó, tại mọi thời điểm, lực tác dụng lên dây quấn phần ứng luôn theo một chiều nhất định, giúp rôto quay theo một chiều cố định.

Khi rôto của động cơ quay, sức điện động cảm ứng xuất hiện trong dây quấn phần ứng, và chiều của sức điện động này ngược với chiều dòng điện vào phần ứng, do đó được gọi là sức phản điện Dòng điện trong dây quấn phần ứng khi động cơ hoạt động ổn định là một yếu tố quan trọng trong quá trình vận hành.

Động cơ điện vạn năng được gọi như vậy do khả năng hoạt động với cả hai loại dòng điện: một chiều và xoay chiều.

Sửa chữa động cơ điện xoay chiều

TT HIỆN TƯỢNG NGUYÊN NHÂN CÁCH KHẮC PHỤC

1 Dòng không tải quá cao

- Mạch từ kém chất lượng

- Dây quấn bị chập nhiều vòng

- Tăng cường tẩm sấy Nếu có chuyển biến thì dùng được còn nếu không phải sửa chữa lại

2 Khi đóng điện động cơ không khởi động được

(quay rất chậm hoặc không quay được) có

- Nguồn cung cấp bị mất 1 pha - Kiểm tra và khắc phục trên đường dây cấp nguồn, cầu chì, cầu dao hoặc các thiết bị đóng cắt chính

63 tiếng rầm rú, phát nóng nhanh - Đứt 1 pha (stator) ở bên trong

- Ổ bi bị mài mòn quá nhiều nên rotor bị hút chặt

- Đo kiểm thông mạch từng pha và khắc phục tại chổ đứt mạch

- Kiểm tra độ rơ của ổ bi

Xử lý hoặc thay thế ổ bi mới

3 Đóng điện vào động cơ các thiết bị bảo vệ tác động ngay (cầu chì bị đứt, CB tác động )

- Cuộn dây stator bị ngắn mạch nặng

- Sai cách đấu dây từ Y sang 

- Kiểm tra và xử lý pha bị ngắn mạch

- Kiểm tra xác định lại cực tính các pha

- Đọc lại nhãn máy, kiểm tra nguồn điện và đấu dây thích hợp

4 Máy chạy không đủ tốc độ, rung lắc mạnh, nóng nhanh

- Có một vài bối dây bị ngược chiều dòng điện.

- Kiểm tra cách đấu dây và đấu lại

- Kiểm tra cách lồng dây, quay thuận chiều các bối dây bị lật ngược

- Kiểm tra xác định lại cực tính các pha

5 Có tiếng kêu cơ khí, dòng điện tăng hơn bình thường

- Nắp máy không được có định tốt với võ

- Bạc bị rơ, cốt mòn, cong

- Chỉnh sửa phần cơ khí

- Chỉnh sửa lại nêm tre

6 Máy chạy đủ tốc độ nhưng dòng điện 3 pha không cân bằng (sai lệch quá 10% ở mỗi pha)

- Điện áp nguồn không cân bằng

- Chập vòng tương đối nhiều ở một pha

- Kiểm tra điện áp nguồn

- Kiểm tra xử lý chổ chạm chập

7 Máy không quay được có hiện tượng hút cốt, phát nóng tức thời

- Nhiều bối dây bị ngược chiều dòng điện - Kiểm tra cách lồng dây, quay thuận chiều các bối dây bị lật ngược

8 Khi mang tải động cơ không khởi động được - Quá tải lớn

- Điện áp nguồn suy giảm nhiều

- Sai cách đấu dây từ  sang Y

- Kiểm tra lại nguồn điện

- Đọc lại nhãn máy, kiểm tra nguồn điện và đấu dây thích hợp

9 Động cơ vận hành bị nóng cốt và nóng nhiều ở rotor (rotor lồng sóc)

- Cốt máy hơi bị cong

- Đứt, nứt 1 số thanh lồng sóc

- Kiểm tra và nắn thẳng trục bằng dụng cụ chuyên dùng

- Đóng sơ mi hoặc thay bạc mới.- Tiếp tục vận hành nhưng phải giảm tải

10 Động cơ nóng nhiều khi vận hành - Quá tải thường xuyên

- Nguồn quá cao hoặc quá thấp

- Kiểm tra dòng điện và giảm bớt tải

- Kiểm tra nguồn và có biện pháp phù hợp

- Bị chập một số vòng - Kiểm tra sử lý các vòng dây bị chập

(ĐKB 1 pha) không cân bằng nhau

- Nắp máy bị lệch Chỉnh cơ khí chưa tốt - Cân chỉnh lại phần cơ khí

12 Có hiện tượng điện vào nhưng động cơ một pha không tự khởi động được Có tiếng ù, dòng điện tăng cao

- Hở mạch cuộn đề (đứt dây; hở mặt vít) hoặc tụ khởi động quá bé

- Đấu sai các nhóm bối dây trong cuộn chạy

- Kiểm tra nối mạch cuộn đề hoặc thay thế tụ điện phù hợp

- Kiểm tra đấu dây lại cuộn chạy

13 Động cơ một pha (tụ khởi động) khởi động được, nhưng quay không đủ tốc độ phát nóng nhanh sau đó

- Do mặt vít ly tâm không cắt được sau khi khởi động xong

- Kiểm tra, chỉnh sửa lại mặt vít hoặc thay thế mặt vít mới

14 Động cơ mở máy yếu - Tụ khởi động nhỏ hơn yêu cầu

- Nứt, hở vòng ngắn mạch

- Thay tụ mới có giá trị phù hợp

- Thay vòng ngắn mạch mới đúng kích thước

15 Tụ làm việc bị đánh thủng thường xuyên sau khi quấn lại bộ dây stator

- Sai số vòng cuộn đề (giảm số vòng) làm điện áp đặt lên tụ lớn hơn điện áp định mức của tụ

- Thay tụ có điện dung bé hơn nên điện áp đặt lên tụ lớn hơn điện áp định mức của tụ.

1 Nêu khái niệm, cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ xoay chiều ba pha

2 Vẽ sơ đồ cách đấu dây động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha ở hộp đấu dây đối với động cơ có 6 và 9 đầu dây

3 Trình bày phương pháp mở máy trực tiếp động cơ điện không đồng bộ ba pha

4 Trình bày phương pháp mở máy gián tiếp động cơ điện không đồng bộ ba pha bằng phương pháp đổi nối sao-tam giác

5 Trình bày phương pháp mở máy gián tiếp động cơ điện không đồng bộ ba pha dùng máy biến áp tự ngẫu

6 Trình bày phương pháp mở máy gián tiếp động cơ điện không đồng bộ ba pha dùng kháng điện

7 Trình bày cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ một pha

8 Trình bày và tạo và nguyên lý làm việc của động cơ điện vạn năng.

9 Một ĐKB 3 pha có 4 cực, vận hành ở nguồn ba pha tần số f = 50Hz, tốc độ quay định mức của rôto nđm = 1430vòng/phút Xác định hệ số trượt định mức

10.Động cơ không đồng bộ 3 pha 12 cực, tần số 50 Hz Động cơ sẽ quay với tốc độ bao nhiêu nếu hệ số trượt bằng 0,06

11 Động cơ không đồng bộ 3 pha 6 cực, tần số 50 Hz, quay với tốc độ 960 vòng/phút Xác định tốc độ đồng bộ và hệ số trượt

Động cơ điện xoay chiều hoạt động với điện áp 220V và cường độ dòng điện 0,5A, có hệ số công suất 0,8 Công suất hao phí của động cơ là 11W Để tính hiệu suất của động cơ, cần xác định công suất tiêu thụ và công suất hữu ích.

13.Mỗi pha của một máy phát điện 3 pha đấu tam giác cung cấp 1 dòng điện 100 A với điện áp 240 V hệ số công suất 0,6

Tính dòng điện dây, điện áp dây và công suất tác động của máy phát

14 Một động cơ điện ba pha có công suất định mức Pđm = 15 kW, hiệu suất định mức ηđm = 0,8, hệ số công suất định mức cosđm = 0,85 Dây quấn động cơ điện nối hình sao, điện áp dây mạng điện U d = 380V Tính điện áp đặt lên mỗi pha dây quấn, tính dòng điện dây và dòng điện pha của động cơ điện

15 Một phân xưởng cơ khí sử dụng một động cơ điện xoay chiều có hiệu suất 80% Khi động cơ hoạt động nó sinh ra một công suất 7,5W Biết rằng mỗi ngày động cơ hoạt động 8 giờ và giá tiền điện công nghiệp là 2000 VNĐ/1kWh Tính số tiền điện mà phân xưởng phải trả trong mỗi tháng (30 ngày)

- Vấn đáp, trực quan (xem video): câu 1, 7, 8

- Bài tập nhóm: câu 9 → câu 15

Động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha là một thiết bị quan trọng trong ngành công nghiệp, với cấu tạo bao gồm stator và rotor Quá trình hình thành từ trường quay diễn ra khi dòng điện ba pha được cấp vào stator, tạo ra một từ trường biến thiên Nguyên lý làm việc của động cơ này dựa trên sự tương tác giữa từ trường quay và rotor, dẫn đến việc rotor quay với tốc độ không đồng bộ so với từ trường, giúp chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học.

- Trình bày được khái niệm, cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ điện xoay chiều một pha

- Trình bày được khái niệm, cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ điện vạn năng

+ Phân biệt được động cơ không đồng bộ ba pha, động cơ điện một pha

+ Sửa chữa được một số hư hỏng thường gặp ở động cơ điện

+ Vận dụng công thức giải được các bài tập về động cơ điện

- Năng lực tự chủ và trách nhiệm:

+ Ý thức tự giác, tích cực, chủ động trong học tập và nghiên cứu bài

KHÍ CỤ ĐÓNG CẮT, ĐIỀU KHIỂN VÀ BẢO VỆ MẠCH ĐIỆN

Khí cụ đóng cắt và điều khiển mạch điện hạ áp

1.1.1 Khái quát và công d ụ ng

Cầu dao là thiết bị điện dùng để đóng cắt mạch điện một cách thủ công, thường được áp dụng trong các mạch điện có điện áp dưới 500V và dòng điện định mức có thể đạt tới vài KA.

Khi thực hiện thao tác đóng ngắt mạch điện, việc đảm bảo an toàn cho thiết bị điện là rất quan trọng Cần áp dụng các biện pháp dập tắt hồ quang điện, vì tốc độ di chuyển của lưỡi dao ảnh hưởng đến thời gian hồ quang kéo dài; lưỡi dao di chuyển nhanh sẽ giúp dập tắt hồ quang nhanh hơn Do đó, việc đóng ngắt mạch điện cần được thực hiện một cách dứt khoát Thông thường, cầu dao được lắp đặt cùng với cầu chì để bảo vệ mạch điện khỏi hiện tượng ngắn mạch.

1.1.2 Phân lo ạ i và kí hiệu

Có thể phân loại cầu dao theo các yếu tố khác nhau:

- Theo kết cấu, cầu dao có các loại: một cực, hai cực, ba cực hoặc bốn cực

- Theo cách đóng ngắt, cầu dao được chia làm hai loại: đóng cắt trực tiếp và đóng cắt từ xa

- Theo vật liệu cách điện: có loại đế sứ, đế nhựa, đế đá

- Theo điều kiện bảo vệ: loại có nắp và không có nắp (loại không có nắp được đặt trong hộp hay tủ điều khiển)

Khi lựa chọn cầu dao, cần xem xét loại cầu dao có cầu chì bảo vệ ngắn mạch hoặc không có cầu chì bảo vệ Các loại cầu dao phổ biến bao gồm: một cực, hai cực, ba cực và bốn cực.

Hình 4.1: Kí hiệu cầu dao không có cầu chì bảo vệ a Một cực b Hai cự c Ba cực d Bốn cực

Hình 4.2: Kí hiệu cầu dao có cầu chì bảo vệ

Hình 4.2: Hình dạng cầu dao một pha, ba pha 1.1.3 C ấ u t ạ o chung

Những cầu dao nhỏ thường có kết cấu đơn giản còn những cầu dao lớn (cỡ hàng trăm ampe) thì có kết cấu khá phức tạp.

Bộ phận chính của cầu dao gồm: lưỡi dao, đầu dây ra, đầu tiếp xúc tĩnh, giá cách điện, trục quay và tay nắm

Hình 4.3: Cấu tạo chung cầu dao

Cầu dao trong mạch điện hạ áp thường được lắp cùng cầu chì để bảo vệ khỏi quá tải và ngắn mạch Với thiết kế đơn giản, cầu dao dễ lắp đặt, thao tác, kiểm tra và sửa chữa Giá thành rẻ cũng là một yếu tố khiến cầu dao trở nên phổ biến trong ứng dụng điện.

Khi đóng mạch điện, lưỡi dao sẽ tiếp xúc với đầu tiếp xúc tĩnh Tuy nhiên, khi ngắt mạch, tia lửa điện có thể phát sinh giữa dao và đầu tiếp xúc tĩnh, do đó, cần trang bị hộp bảo vệ cho cầu dao để đảm bảo an toàn lao động.

Do tốc độ kéo bằng tay hạn chế, người ta thiết kế thêm lưỡi dao phụ Khi có điện, lưỡi dao phụ và lưỡi dao chính được giữ chặt trong ngàm Khi ngắt điện, tay kéo lưỡi dao chính trước, lò xo được kéo căng và đến một mức nhất định sẽ bật nhanh, giúp lưỡi dao phụ thoát khỏi ngàm một cách nhanh chóng Nhờ vậy, hồ quang được kéo dài nhanh chóng và được dập tắt trong thời gian ngắn.

Hình 4.4: Cầu dao có cầu dao phụ 1 1.5 Các thông số định mức của cầu dao

Chọn cầu dao theo dòng điện định mức và điện áp định mức: Gọi

Itt là dòng điện tính toán của mạch điện

Unguồn là điện áp nguồn của lưới điện sử dụng

1.2 Áp-tô-mát (CB: Circuit Breaker)

1.2.1 Khái quát và công d ụ ng Áp-tô-mát còn gọi là máy ngắt tự động hay CB là loại khí cụ điện dùng để ngắt tự động các mạch điện một chiều và xoay chiều khi xảy ra quá tải, ngắn mạch, sụt áp, … Đôi khi áp-tô-mát cũng được dùng để đóng, ngắt không thường xuyên các mạch điện trong điều kiện làm việc bình thường Áp-tô-mát được dùng trong các thiết bị điện xoay chiều có điện áp tới 500 V, trong các thiết bị điện một chiều điện áp tới 3 300 V

Trong những năm gần đây, áp-tô-mát đã trở thành thiết bị phổ biến trong máy công cụ nhờ khả năng đảm bảo độ chính xác cao về dòng điện và điện áp cần ngắt Nó không chỉ thay thế cầu dao và cầu chì mà còn cung cấp chức năng bảo vệ và đóng ngắt mạch điện hiệu quả.

1 2.2 Phân loại Áp-tô-mát thường được phân loại như sau:

- Theo kết cấu: loại 1 cực, loại 2 cực, loại 3 cực

- Theo thời gian tác động: loại tác động không tức thời, loại tác động tức thời.

Bảo vệ hệ thống điện bao gồm nhiều chức năng như bảo vệ dòng cực đại, dòng cực tiểu, bảo vệ công suất điện ngược và bảo vệ điện áp cực tiểu Để đáp ứng yêu cầu chọn lọc bảo vệ, aptomat cần có khả năng điều chỉnh dòng tác động và thời gian tác động một cách linh hoạt.

1 2.3 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của áp tô mát

Tùy theo chức năng cụ thể mà áp-tô-mát có thể có đầy đủ hoặc một số bộ phận chính sau:

+ Hệ thống tiếp điểm và bộ phận dập hồ quang.

Cơ cấu ngắt mạch nhiệt hoạt động bằng cách ngắt mạch khi xảy ra quá tải, dựa trên sự co giãn nhiệt của thanh lưỡng kim, tương tự như rơ le nhiệt thông thường.

Cơ cấu tác động điện từ bao gồm một nam châm điện với cuộn dây điện từ và lõi thép, có chức năng ngắt mạch khi xảy ra hiện tượng ngắn mạch, tương tự như rơ le điện từ Nguyên tắc hoạt động cho thấy khi có ngắn mạch, cơ cấu này sẽ tác động trước, do đó, áp-tô-mát được trang bị cơ cấu này yêu cầu dòng điện tác động tức thời phải lớn hơn nhiều so với dòng điện tác động chậm.

Hình 4.5: Hình dáng bên ngoài của áp-tô-mát

Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý áp-tô-mát

Khi dòng điện qua cuộn dây quá dòng 1 vượt quá trị số đã được định sẵn (dòng điện tác động), lõi thép sẽ hút lá thép 5, dẫn đến việc nhả chốt hãm 2 Lò xo 4 sau đó kéo lưỡi dao 3 ra khỏi đầu tiếp xúc tĩnh, làm ngắt dòng điện.

Việc lựa chọn CB chủ yếu dựa vào:

- Dòng điện tính toán đi trong mạch

- CB thao tác phải có tính chọn lọc

Khi lựa chọn cầu dao (CB), cần xem xét đặc tính làm việc của phụ tải, đảm bảo rằng CB không cắt nguồn điện trong trường hợp quá tải ngắn hạn, thường xảy ra trong điều kiện làm việc bình thường như dòng điện khởi động và dòng điện đỉnh trong các phụ tải công nghệ.

Yêu cầu chung là dòng điện định mức của móc bảo vệ ICB không được bé hơn dòng điện tính toán Itt của mạch

Tùy thuộc vào đặc tính và điều kiện làm việc của phụ tải, việc lựa chọn dòng điện định mức cho móc bảo vệ thường được khuyến nghị là 125%, 150% hoặc lớn hơn so với dòng điện tính toán.

1.3.1 Khái quát và công d ụ ng

Công tắc là thiết bị điện được sử dụng để đóng và ngắt dòng điện một cách thủ công Nó phù hợp cho các dòng điện có công suất nhỏ, với điện áp một chiều lên đến 440V và điện áp xoay chiều tối đa 500V.

Khí cụ bảo vệ mạch điện hạ áp

2.1 1 Khái quát và công dụng

Cầu chì là thiết bị điện quan trọng, giúp bảo vệ các thiết bị và lưới điện khỏi dòng điện ngắn mạch, thường được sử dụng cho đường dây, máy biến áp và động cơ Với thiết kế đơn giản, kích thước nhỏ gọn, khả năng cắt lớn và chi phí thấp, cầu chì vẫn được ưa chuộng và sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điện hiện nay.

Thời gian cắt mạch của cầu chì phụ thuộc vào vật liệu làm dây chảy Dây chảy bằng chì, hợp kim chì với thiếc, kẽm, nhôm, đồng, bạc có nhiệt độ nóng chảy thấp và điện trở suất lớn, thường được sử dụng cho điện áp ≤ 500V với tiết diện lớn Tuy nhiên, đối với điện áp trên 1000V, dây chảy có tiết diện lớn không khả thi do lượng hơi kim loại tỏa ra lớn, gây khó khăn trong việc dập hồ quang Vì vậy, ở điện áp cao, thường sử dụng dây chảy bằng đồng hoặc bạc với điện trở suất nhỏ và nhiệt độ nóng chảy cao.

Cầu chì có cấu tạo đơn giản và kích thước nhỏ gọn, nhưng lại có khả năng cắt điện lớn và giá thành thấp, nên được ứng dụng rộng rãi Nó hoạt động khi dòng điện vượt quá định mức nhiều lần, chủ yếu trong trường hợp xảy ra dòng điện ngắn mạch.

Cầu chì là thiết bị quan trọng trong mạng điện dưới 1000V, được sử dụng phổ biến để bảo vệ các thiết bị điện từ 0 đến 35 kV, bao gồm mạng hình tia và máy biến áp lực công suất nhỏ.

Các tính chất và yêu cầu của cầu chì:

- Cầu chì có đặc tính làm việc ổn định, không tác động khi có dòng điện mở máy và dòng điện định mức lâu dài đi qua

- Đặc tính A – s của cầu chì phải thấp hơn đặc tính của đối tượng bảo vệ

- Khi có sự cố ngắn mạch, cầu chì tác động phải có tính chọn lọc

- Việc thay thế cầu chì bị cháy phải dễ dàng và tốn ít thời gian

* Cách lắp đặt trong lưới điện

Cầu chì được mắc nối tiếp trong mạch điện, sau cầu dao

- Với điện một chiều cầu chì được mắc trên dây dương (+)

- Với lưới điện xoay chiều một pha, cầu chì được mắc trên dây pha

- Với lưới điện xoay chiều ba pha không có dây trung tính, cầu chì được mắc trên 2 trong 3 dây pha

- Với lưới điện xoay chiều ba pha có dây trung tính, cầu chì được mắc trên trong 3 dây pha

Cầu chì hạ áp thường có các loại như: kiểu nắp xoáy, kiểu lá, kiểu ống,… a) b) c)

Hình 4.21: Các loại cầu chì

Cầu chì nắp xoáy bao gồm một đế bằng sứ, trên đó được vặn chặt bởi một nút hình tròn có ren bằng kim loại Mặt tiếp xúc của cầu chì được làm từ ba phần kim loại cách điện với nhau, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong việc bảo vệ mạch điện.

Dây chảy được hàn một đầu với trụ 2 và đầu kia hàn với mặt tiếp xúc 3 Đế cầu chì được gắn vào hộp cầu chì, trong đó có sẵn 2 đầu dây dẫn Khi vặn nút cầu chì vào đế, các đầu dây sẽ nối liền mạch điện.

Cầu chì lá có dây chảy là một lá kim loại hoặc một số sợi dây có đầu cốt bắt vào bảng bằng vít (hình 4.21 b)

Cầu chì ống phíp là một thiết bị bảo vệ điện, bao gồm một ống phíp kín chứa dây chảy Khi dây chảy nóng chảy, khí sinh ra từ ống phíp tạo áp lực dập tắt nhanh tia lửa điện, giúp cắt mạch một cách hiệu quả.

Cầu chì bao gồm các thành phần sau:

Phần tử ngắt mạch là thành phần chính của cầu chì, có khả năng cảm nhận giá trị hiệu dụng của dòng điện Nó được làm từ các vật liệu dẫn điện có điện trở suất nhỏ như bạc, đồng, hoặc các vật liệu tương tự Hình dạng của phần tử này có thể là dây tròn hoặc băng mỏng.

Thân cầu chì thường được làm từ các vật liệu như thủy tinh, sứ gốm hoặc các chất liệu tương đương Những vật liệu này cần phải đảm bảo hai tính chất quan trọng: độ bền và khả năng chịu nhiệt, nhằm đảm bảo hiệu suất và an toàn khi sử dụng.

• Có độ bền cơ khí

• Có độ bền về điều kiện dẫn nhiệt và chịu đựng được các sự thay đổi nhiệt độ đột ngột mà không hư hỏng

Vật liệu lấp đầy trong thân cầu chì, thường là silicat dạng hạt, đóng vai trò quan trọng trong việc hấp thụ năng lượng sinh ra từ hồ quang và đảm bảo tính cách điện trong trường hợp xảy ra hiện tượng ngắn mạch.

Các đấu nối là các thành phần quan trọng giúp định vị cố định cầu chì trên các thiết bị đóng ngắt mạch, đồng thời đảm bảo tính tiếp xúc điện tốt.

Cầu chì trong lưới điện hạ thế có nhiều hình dạng khác nhau và thường được ký hiệu theo các dạng cụ thể trong sơ đồ nguyên lý.

Cầu chì hoạt động dựa trên nguyên lý phụ thuộc giữa thời gian chảy đứt và dòng điện chạy qua, được thể hiện qua đặc tính Ampe - giây Để đảm bảo hiệu quả bảo vệ, đường Ampe - giây của cầu chì phải luôn thấp hơn đặc tính của thiết bị cần được bảo vệ.

Dòng điện định mức của cầu chì tạo ra năng lượng do hiệu ứng Joule, tỏa ra môi trường mà không gây nóng chảy Điều này giúp thiết lập sự cân bằng nhiệt ở mức an toàn, ngăn ngừa sự già hoá hoặc hư hỏng các thành phần của cầu chì.

Khi dòng điện ngắn mạch xảy ra, sự cân bằng trên cầu chì bị phá vỡ, gây ra sự gia tăng nhiệt năng và dẫn đến việc cầu chì bị hỏng Quá trình phá hủy cầu chì thường được chia thành hai giai đoạn.

• Quá trình tiền hồ quang (tp)

• Quá trình sinh ra hồ quang (ta)

Hình 4.23: Giản đồ toàn bộ quá trình phát sinh hồ quang

Trong đó: t 0 : Thời điểm bắt đầu sự cố t p : Thời điểm chấm dứt giai đoạn tiền hồ quang t t : Thời điểm chấm dứt quá trình phát sinh hồ quang

Một số mạch điện có sử dụng các khí cụ điện cơ bản

3.1.Mạch điện điều khiển mở máy trực tiếp và bảo vệ động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha

Hình 4.27 minh họa sơ đồ khởi động từ cho động cơ ba pha, trong đó các tiếp điểm chính của cuộn dây công tắc tơ được kết nối trong mạch điện của động cơ Sơ đồ này còn bao gồm hai cuộn dây đốt 1RN và 2, giúp khởi động động cơ một cách trực tiếp.

RN của rơ le nhiệt

Mạch điện khống chế bao gồm nút bấm cắt C và nút bấm đóng Đ, được đấu song song với tiếp điểm khóa K1 của công tắc tơ Ngoài ra, hai tiếp điểm 1 RN và 2 RN cũng được kết nối nối tiếp với cuộn dây hút của công tắc tơ.

Hình 4.27: Sơ đồ nguyên lýmở máy trực tiếp ĐKB ba pha

Cách hoạt động của sơ đồ này như sau: muốn mở máy động cơ ta bấm nút Đ, cuộn hút

K có điện sẽ đóng mạch động cơ, đồng thời đóng tiếp điểm tự khóa K 1

Để ngừng động cơ, chúng ta nhấn nút C để cắt điện vào cuộn K, khiến công tắc tơ trở về trạng thái cắt Khi đó, các tiếp điểm chính K mở ra, ngắt mạch điện động cơ, đồng thời tiếp điểm phụ cũng được tác động.

K1 cũng mở để cắt mạch tự khóa

Khi động cơ bị quá tải, các rơ le nhiệt 1RN, 2RN tác động mở tiếp điểm ra làm cắt mạch cuộn hút

Trong sơ đồ, cầu dao CD có chức năng cách ly mạch điện động cơ khỏi mạng điện chung Để bảo vệ máy khỏi hư hỏng do đứt một pha, người ta thường sử dụng áptômát thay vì cầu dao và cầu chì.

3.2 Mạch điện điều khiển đảo chiều quay và bảo vệ động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha bằng khởi động từ kép Để thay đổi chiều quay của động cơ xoay chiều ba pha về nguyên tắc ta phải thay đổi chiều của từ trường quay stato bằng cách đổi thứ tự của hai trong ba pha vào động cơ

Chúng ta có thể thay đổi thứ tự pha vào động cơ bằng cầu dao hai ngả, nhưng phương pháp này gây bất tiện trong vận hành và dễ phát sinh hồ quang do quá trình đóng nhả tiếp điểm không dứt khoát Để khắc phục nhược điểm này, bộ khởi động từ kép kèm theo bộ nút ấn là giải pháp hiệu quả Tùy thuộc vào yêu cầu công việc, việc lựa chọn cách điều khiển phù hợp là rất quan trọng Trong bài viết này, chúng ta sẽ nghiên cứu mạch điện đảo chiều quay động cơ ba pha bằng khởi động từ kép, với yêu cầu là phải ấn nút “dừng” trước khi thực hiện đảo chiều quay.

* Trang bị điện của mạch:

- Bộ khởi động từ kép gồm: công tắc tơ K 1 , K2 và rơ le nhiệt OLB

- Động cơ xoay chiều ba pha rô to lồng sóc M

- Bộ nút ấn (3 phím, 1 tầng tiếp điểm) PB 0 , PB1, PB2 Trong đó:

+ Nút ấn PB 0 : dừng động cơ (stop)

+ Nút ấn PB1 động cơ quay thuận (Forward)

+ Nút ấn PB 0 : động cơ quay ngược (Revert)

Để khởi động động cơ theo hướng thuận, đầu tiên bạn cần đóng cầu dao cách ly Q Sau đó, ấn nút PB1 để cấp điện cho cuộn hút công tắc tơ K1, từ đó sẽ đóng các tiếp điểm K11, cung cấp nguồn cho động cơ hoạt động.

K12 (duy trì cho công tắc tơ K1) Động cơ quay theo chiều thuận (theo quy ước) do mạch động lực được nối như sau:

- Dừng động cơ Ấn nút PB0, cuộn hút công tắc tơ K 1 mất điện sẽ nhả các tiếp điểm K 11 và K12 Động cơ ngừng hoạt động.

Hình 4.28: Sơ đồ nguyên lý đảo chiều quay động cơ KĐB 3 pha bằng khởi động từ kép

Để đảo chiều động cơ, nhấn nút PB2 để cung cấp điện cho cuộn hút của công tắc tơ K2, từ đó đóng các tiếp điểm K21 và K22, giúp cấp nguồn cho động cơ và duy trì hoạt động của công tắc tơ Khi thứ tự hai pha vào động cơ bị đảo, động cơ sẽ quay theo chiều ngược lại Mạch động lực được nối theo cách này.

- Chức năng khóa (liên động)

Trong quá trình vận hành, hai công tắc tơ không được phép hoạt động đồng thời để ngăn ngừa hiện tượng ngắn mạch trong mạch động lực Do đó, khi một công tắc tơ hoạt động, nó cần phải khóa công tắc tơ còn lại Trong mạch này, tiếp điểm thường đóng của công tắc tơ được sử dụng để kiểm soát hoạt động của công tắc tơ kia.

Sơ đồ đấu lắp mạch rất đơn giản, nhưng trong quá trình hoạt động của một số máy móc, việc đổi chiều quay cần phải diễn ra ngay lập tức Ví dụ, trong quá trình cắt ren của máy tiện, khi dao cắt hoàn thành hành trình cắt, người thợ phải nhanh chóng kéo dao ra để chuẩn bị cho hành trình cắt tiếp theo.

Việc đổi chiều quay cần thực hiện nhanh chóng mà không có thời gian cho thao tác dừng Để đáp ứng yêu cầu này, chúng ta sử dụng bộ nút ấn 2 tầng tiếp điểm thay vì bộ nút ấn 1 tầng thông thường.

Hình 4.29: Sơ đồ nguyên lý chức năng khóa

3.3 Mạch điện điều khiển mở máy gián tiếp động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha bằng phương pháp đổi nối Y/ 

3.3.1 Trang bị điện của mạch a Cầu chì F1, F2, F3, F4. b Bộ nút ấn 2 phím PB 0 , PB1

+ Nút ấn PB 0 : nút dừng động cơ (stop)

+ Nút ấn PB 1 : nút mở máy

(start) c Công tắc tơ K1, K2, K3 d Rơ le nhiệt OL e Rơ le thời gian TS f Động cơ xoay chiều 3 pha rôto lồng sóc M

3.3.2 Nguyên lýhoạt động a Mở máy Đóng áp tô mát nguồn Ấn nút PB 1 , cuộn hút công tắc tơ K1, K2, K3 và TS có điện sẽ đóng điện cho động cơ mở máy ở chế độ các cuộn dây stato được đấu hình sao nhằm làm giảm dòng khởi động

Sau một thời gian, tiếp điểm thường đóng TS1 mở chậm và tiếp điểm thường mở TS2 đóng lại, dẫn đến cuộn K2 mất điện trong khi cuộn K3 vẫn có điện Điều này cho phép các cuộn dây được đấu nối thành hình tam giác.

3.3.3 Dừng động cơ Ấn nút PB 0 , cuộn hút K1, TS và K3 mất điện, cắt điện mạch động lực, động cơ ngừng hoạt động.

3.4 Mạch điện điều khiển và bảo vệ động cơ điện xoay chiều không đồng bộ một pha

Hình 4.31 là sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển trực tiếp động cơ điện xoay chiều một pha

Tiếp điểm chính của cuộn dây công tắc tơ mắc trong mạch điện động cơ, cùng với cuộn dây đốt RN của rơ le nhiệt

Mạch điện khống chế bao gồm nút bấm cắt C và nút bấm đóng Đ, được đấu song song với tiếp điểm đóng K1 của công tắc tơ Tất cả các thành phần này được kết nối nối tiếp với cuộn dây hút của công tắc tơ, đảm bảo hoạt động hiệu quả của hệ thống.

Cách hoạt động của sơ đồ này như sau:

+ Muốn mở máy động cơ ta bấm nút Đ, cuộn hút K có điện sẽ đóng mạch động cơ đồng thời đóng tiếp điểm tự khóa K 1

Để ngừng động cơ, chúng ta nhấn nút C để cắt điện vào cuộn K, khiến công tắc tơ trở về trạng thái ngắt Khi đó, tiếp điểm chính K mở ra, cắt mạch điện của động cơ, đồng thời tiếp điểm phụ cũng được ảnh hưởng.

K1 cũng mở để cắt mạch tự khóa

Khi động cơ bị quá tải, rơ le nhiệt RN tác động mở tiếp điểm ra làm cắt mạch cuộn hút, động cơ ngừng hoạt động

Hình 4.30: Sơ đồ nguyên lý

1 Nêu cấu tạo, công dụng và nguyên lý làm việc của cầu dao, áp-tô-mát, công tắc, nút ấn, bộ khống chế và contactor

2 Nêu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cầu chì và rơ le nhiệt

3 Vẽ sơ đồ nguyên lý mạch điện mạch điều khiển mở máy trực tiếp và bảo vệ động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha

4 Vẽ sơ đồ nguyên lý đảo chiều quay và bảo vệ động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha bằng khởi động từ kép

5 Vẽ sơ đồ nguyên mạch điện mạch điều khiển mở máy gián tiếp động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha bằng phương pháp đổi nối Y/∆

6 Vẽ sơ đồ nguyên mạch điện mạch điều khiển và bảo vệ động cơ điện xoay chiều không đồng bộ một pha

- Vấn đáp, trực quan (xem video), sơ đồ tư duy: câu 1, 2

+ Trình bày được công dụng, cấu tạo, kí hiệu, nguyên lý làm việc của những khí cụ đóng cắt, điều khiển và bảo vệ mạch điện

Tiêu đề	Giáo Trình Điện Kỹ Thuật
Tác giả	Cao Thị Nguyễn Phương
Trường học	Cần Thơ
Chuyên ngành	Công Nghệ Ô Tô
Thể loại	giáo trình
Thành phố	Cần Thơ

Định dạng
Số trang	89
Dung lượng	1,83 MB