Thiết kế máy Biến áp

Kỹ thuật điện là ngành kỹ thuật ứng dụng các hiện tượng điện từ để biến đổi năng lượng, đo lường, điều khiển, xử lí tín hiệu….

LỜI NÓI ĐẦU

Kỹ thuật điện là ngành kỹ thuật ứng dụng các hiện tượng điện từ để biến đổi năng lượng, đo lường, điều khiển, xử lí tín hiệu….Bao gồm việc tạo ra, biến đổi và

sử dụng điện năng, tín hiệu điện trong các sinh hoạt của con người

So với các hiện tượng vật lý khác như: Cơ, Nhiệt, Quang,…, hiện tượng điện từ được phát hiện hơn vì các giác quan của con người không cảm nhận được trực tiếp hiện tượng này Tuy nhiên việc khám phá ra hiện tượng điện từ đã thúc đẩy mạnh

mẽ cuộc cách mạng khoa học chuyển sang lĩnh vực điện khí hoá và tự động hoá Các phát minh, sáng chế liên tục ra đời thúc đẩy công nghiệp phát triển mạnh như vũ bão Hàng loạt các máy móc, thiết bị điện được sản xuất, chế tạo giúp con người giải phóng lao động chân tay, thủ công, đưa nền sản xuất đi dần vào tự động hoá Đồng thời điện năng cũng phục vụ rất đắc lực cho con người trong sinh hoạt tinh thần và tiêu dùng

Để thực hiện việc biến đổi cơ năng thành điện năng và ngược lại, biến điện năng thành cơ năng người ta sử dụng các loại máy điện Máy điện là 1 hệ điện từ gồm có mạch từ và mạch điện liên quan với nhau Mạch từ gồm các bộ phận dẫn từ

và khe hở không khí Mạch điện gồm 2 hay nhiều dây quấn có thể chuyển động tương đối với nhau cùng với các bộ phận mang chúng Từ nhu cầu tiêu ding điện năng ngày càng cao nên máy điện càng được sủ dụng nhiều trong cuộc sống Máy điện được sử dụng rộng rãi trong các ngành kinh tế như: Công nghiệp, Nông nghiệp, Giao thông vận tải,… và trong các dụng cụ sinh hoạt gia đình

Vì vậy trong chương trình học tại trường ĐH Bách Khoa,Hà Nội ngoài việc nghiên cứu lý thuyết máy điện tất cả các sinh viên khoa Điện đều được bố trí 3 tuần thực tập tại xưởng điện nhằm nâng cao kiến thức thực tế Mỗi sinh viên đều có thể nắm được kỹ thuật quấn dây máy biến áp công suất nhỏ, động cơ 3 pha, động cơ Rotor lồng sóc và hiểu được nguyên lý vận hành cơ bản của chúng

MỤC LỤC

Phần Một: Cơ sở lý thuyết về máy điện

I Khái niệm chung

II Cơ sở lý thuyết về động cơ ( Động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc ) III Máy Biến áp

Phần Hai: Khái niệm về dây quấn phần ứng

I Các kiều dây quấn

II Các thông số cơ bản để thành lập 1 sơ đồ dây quấn phần ứng đơn giản

III Vật liệu dùng trong máy điện

Phần Ba : Thực hành quấn dây quấn Máy biến áp tự ngẫu và

động cơ không đồng bộ 3 pha Phần Bốn: Kết quả thu được và nhận xét

PHẦN MỘT: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MÁY ĐIỆN

I Khái niệm chung

1 Định nghĩa:

− Máy điện là thiết bị điện tử hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi các dạng năng lượng khác mà chủ yếu là cơ năng thành điện năng (Máy phát điện) hoặc ngược lại, biến đổi điện năng thành cơ năng (Động cơ điện),

hoặc biến đổi các thông số điện áp, dòng điện, tần số, pha,….

1 Các định luật thường dùng để nghiên cứu máy điện.

a) Định luật cảm ứng điện từ:

− Sự biến thiên của tổng từ thông móc vòng trong một mạch điện sẽ tạo ra một sức điện động tỷ lệ với đạo hàm của tổng từ thông biến thiên đó:

b) Định luật toàn dòng điện:

− Tích phân vòng của cường độ từ trường theo một đường khép kín bất kỳ quanh một số mạch điện bằng tổng dòng điện trong vòng dây của các mạch:

F w i

Trong đó F chỉ giá trị của sức từ động tổng tác động lên mạch từ đó

c) Định luật về lực điện từ:

− Dòng điện i chạy trong từ trường có từ cảm B chịu lực tác dụng f được xác định như sau:

Trong trường hợp dây dẫn mang dòng điện i nằm trong từ trường đều từ cảm B:

f = B.i.l.sin θ

Trong đó θ là góc lệch giữa véc tơ từ cảm B với dòng điện i

3 Phân loại máy điện:

− Máy điện có thể phân loại theo nhiều cách khác nhau: Theo công suất, theo cấu tạo, theo chức năng, theo dòng điện (dòng 1 chiều, dòng xoay chiều), theo nguyên lý làm việc Ở đây ta sẽ phân loại theo nguyên lý biến đổi năng lượng, có 2 loại:

a) Máy điện tĩnh:

− Thường là các loại máy biến áp.Máy điện tĩnh làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ do sự biến thiên từ thong giữa các dây quấn không có sự chuyển động tương đối với nhau

d e

dt

φ

= −

M

M idl B

df = ×

− Máy điện tĩnh thường dùng để biến đổi thông số điện năng Do tính chất thuận nghịch của các quy luật cảm ứng điện từ, quá trình biến đổi cũng có tính chất thuận nghịch

Ví dụ: Máy biến áp biến đổi hệ thống có các thông số: U1, I1, f1 thành điện năng

có các thông số mới: U2, I2, f2 hoặc ngược lại, biến đổi hệ thống :U2, I2, f2 thành hệ thống U1, I1, f1

b) Máy điện có phần động :

(Máy điện quay hoặc máy điện chuyển động thẳng)

− Nguyên lý làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, lực điện từ do từ trường và dòng điện của các cuộn dây có chuyển động tương đối với nhau gây ra Loại máy điện này thường dung để biến đổi năng lượng như biến đổi cơ năng thành điện năng (Máy phát điện), biến đổi điện năng thành cơ năng (Động cơ điện) Quá trình biến đổi có tính chất thuận nghịch nghĩa là nó có thể làm việc ở chế độ máy phát hoặc động cơ

Sơ đồ phân loại máy điện thông thường

Máy điện

MĐ 1 chiều

MĐ xoay chiều

MĐ đồng bộ

MĐ không đồng bộ

II Cơ sở lý thuyết về động cơ:

(Động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc)

1 Định nghĩa:

Động cơ Không đồng bộ là động cơ mà tốc độ trên trục động cơ khác tốc độ đồng bộ (tốc độ từ trường quay)

2 Cấu tạo.

Giống như các máy điện khác động cơ không đồng bộ gồm các bộ phận chính sau:

a) Trên stato có vỏ lõi sắt và dây quấn:

Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm mạch dẫn

từ Thường vỏ máy làm bằng gang Đối với máy công suất tương đối lớn (1000kW) thường dùng thép tấm hàn lại làm thành vỏ Tùy theo cách làm nguội máy mà có các dạng vỏ máy khác nhau

Lõi sắt là phần dẫn từ Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay nên để giảm tổn hao , lõi sắt được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện dày 0,5mm ép lại với nhau Khi đường kính ngoài lõi sắt nhỏ hon 900mm thì dùng cả tấm tròn ép lại Khi đường kính ngoài lớn hơn trị số trên thì phải dùng những tấm hình rẻ quạt ghép lại thành khối tròn

Mỗi lá thép kỹ thuật điện đều có phr sơn cách điện trên bề mặt để giảm tổn hao

do dòng điện xoáy gây nên Nếu lõi sắt ngắn thì có thể ghép lại thành một khối Nếu lõi sắt dài quá hì thường ghép thành từng thếp ngắn , mỗi thếp dài 6 đến 8 cm, đặt cách nhau 1cm để thông gió cho tốt Mặt trong của lõi thép có sẻ rãnh để đặt dây quấn

Dây quấn stato được đặt vào các rãnh của lõi sắt và dược cách điện tốt với lõi sắt

b) Phần quay hay rôto.

Phần này có hai bộ phận chính là lõi sắt và dây quấn

∗ Lõi sắt:

Động cơ không đồng bộ

Máy phát đồng

bộ

Máy

biến

áp

Máy phát không đồng

bộ

Động cơ đồng bộ

Nói chung thì người ta dùng các lá thép kỹ thuật điện như ở stato Lõi sắt được

ép trực tiếp lên trục máy hơặc lên một giá rto của máy Phía ngoài của lá thép có sẻ rãnh để đặt dây quấn

∗ Rôto và dây quấn rôto:

Rôto có hai loại chính là rôto kiểu dây quấn và rôto kiểu lồng sóc

− Loại rôto kiểu dây quấn:

Rôto có dây quấn giống như dây quấn stato Trong máy điện cỡ trung bình trở lên thường dùng dây quấn kiểu sóng hai lớp vì bớt được những dây đầu nối, kết cấu dây quấn trên rôto chặt chẽ Trong máy điện cỡ nhỏ thường dùng day quấn đồng tâm một lớp Dây quán ba pha của rô to thường đáu hình sao còn ba đầu kia được nối vào ba vành trượt làm bằng đồng đặt cố định trên một đầu của trục và thông qua trổi than có thể đấu với mạch điện bên ngoài Đặc điểm của loại động cơ điện rôto kiểu dây quấn là thông qua chổi than có thể đưa thêm điện trở phụ hay s.đ.đ phụ vào mạch điện rôto để cải thiện tính năng mở máy , điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ

số công suất của máy Khi máy làm việc bình thường dây quấn rôto được nối ngắn mạch

− Loại rôto kiểu lồng sóc:

Kết cấu của loại dây quấn này rất khác so với dây quấn stato Tong mỗi rãnh của lõi sắt rôto đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay bằng nhôm dài ra khỏi lõi sắt và được nối tắt lại ở hai đầu bằng vòng ngắn mạch bằng đồng hay bằng nhôm làm thành một cái lồng mà người ta quen gọi là lồng sóc

Dây quấn kiểu lồng sóc không cần cách điện với lõi sắt Để cải thiện tính năng

mở máy, trong máy công suất tương đối lớn, rãnh rôto có thể làm thành dạng rãnh sâu hoặc làm thành hai rãnh lồng sóc hay còn gọi là lồng sóc kép Trong máy điện

cỡ nhỏ , rãnh rôto thường làm chéo đi một góc so với tâm trục

c) Khe hở:

Vì rôto là một khối tròn nên khe hở đều Khe hở trong máy điện không đồng

bộ rất nhỏ từ 0,2 đến 1mm (trong máy điện cỡ nhỏ và vừa) để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới vào và như vậy mới có thể làm cho hệ số công suất của máy cao hơn

3 Dây quấn động cơ không đồng bộ:

Dây quấn của động cơ không đồng bộ được bố trí ở hai bên khe hở trên lõi thép của phần tĩnh và phần quay và là bộ phận chính để biến đổi năng lượng điện cơ Dây quấn được chia làm hai loại là dây quấn phàn cảm và dây quấn phần ứng

Dây quấn phần cảm được đặt trên stato nó có nhiệm vụ sinh ra từ trường lúc không tải

Dây quấn phần ứng được đặt trên rôto nó có nhiệm vụ cảm ứng một sức điện động nhất định khi có chuyển động tương đối với từ trường khe hở Đối với động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc thì dây quấn phần ứng là các thanh đồng hoặc nhôm được đúc trực tiếp trên các rãnh của rôto và hai đầu được nối bởi hai vòng ngắn mạch

III Máy Biến Áp:

1 Khái niệm chung:

Máy biến áp là một thiết bị điện từ tĩnh, làm việc trên nguyên lý cảm ứng điện

từ, biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp này thành một hệ thống dòng điện xoay chiều ở một điện áp khác, với tần số không thay đổi.Máy biến áp là một phần không thể thiếu của hệ thống truyền tải điện năng

2 Các loại máy biến áp chính:

Máy biến áp điện lực dùng để truyền tải và phân phối công suất trong hệ thống điện lực

− Máy biến áp chuyên dụng : Dùng cho các lò luyện kim, cho các thiết bị chỉnh

lưu, máy biến áp hàn điện,…

− Máy biến áp tự ngẫu : Biến đổi điện áp trong một phạm vi không lớn,

dùng để mở máy các động cơ điện xoay chiều

− Máy biến áp đo lường : Dùng để giảm các điện áp và dòng điện lớn khi

đưa vào các đồng hồ đo

− Máy biến áp thí nghiệm : Dùng để thí nghiệm các điện áp cao

3 Cấu tạo máy biến áp:

Máy biến áp có các bộ phận chính là: Lõi thép, dây quấn và vỏ máy

a) Lõi thép:

Lõi thép dùng làm mạch dẫn từ, đồng thời làm khung để quấn dây quấn

Theo hình dáng có thể chia lõi thép thành hai loại:

− Máy biến áp kiểu lõi hay kiểu trụ: Dây quấn bao quanh trụ thép

− Máy biến áp kiểu bọc: Mạch từ được phân nhánh ra hai bên và bọc lấy một phần dây quấn

Để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên, lõi thép được ghép từ những lá thép kỹ thuật điện và có phủ sơn cách điện trên bề mặt

Dây quấn là bộ phận dẫn điện của máy biến áp, làm nhiệm vụ thu năng lượng vào và truyền năng lượng ra Dây quấn thường được làm bằng đồng

Có hai kiểu dây quấn là dây quấn đồng tâm (tiết diện ngang là những vòng tròn đồng tâm) và dây quấn xen kẽ (các bánh dây cao áp và hạ áp lần lượt xen kẽ nhau dọc theo trụ thép)

Vỏ máy có hai phần là thùng và nắp thùng

Thùng làm bằng thép, thường là hình bầu dục

Nắp thùng dùng để đậy thùng và trên đó đặt các chi tiết máy quan trọng như sứ

ra cao áp và hạ áp, bình giãn dầu, ống bảo hiểm Ngoài ra trên nắp còn đặt các bộ phận truyền động của bộ đổi nối các đầu điều chỉnh điện áp của dây quấn cao áp

PHẦN HAI: KHÁI NIỆM VỀ DÂY QUẤN PHẦN ỨNG

I C ác kiểu dây quấn:

1 Dây quấn một lớp:

Là loại dây quấn mà trong mỗi rãnh chỉ đặt một cạnh tác dụng, thường dùng trong các máy có công suất trung bình và nhỏ, các loại dây quấn một lớp bao gồm:

Dây quấn đồng khuôn :

− Là dây quấn mà các phần tử dây quấn có kích thước hoàn toàn giống nhau Dây quấn đồng khuôn được chia thành dây quấn đồng khuôn tập trung và dây quấn đồng khuôn phân tán Dây quấn đồng khuôn tập trung thực hiện đơn giản nhưng tạo ra mômen không lớn nên ít được sử dụng Dây quấn đồng khuôn phân tán thực hiện phức tạp hơn nhưng có khả năng tạo ra mômen lớn vì vậy được sử dụng rộng rãi trong thực tế

Dây quấn đồng tâm :

− Là dây quấn mà các phần tử trong một nhóm có kích thước không giống nhau

Dây quấn đồng khuôn Dây quấn đồng tâm

2 Dây quấn hai lớp :

Là dây quấn mà trong mỗi rãnh đặt hai cạnh tác dụng, thường dùng trong các máy có công suất trung bình và lớn Dây quấn hai lớp cũng được chia thành dây quấn đồng khuôn và dây quấn đồng tâm

II Các thông số để thành lập sơ đồ dây quấn cho động cơ không đồng bộ:

Z : Số rãnh stato và roto

q : Số rãnh tác dụng với 1 cực (số bối dây của một nhóm bối)

p : Số đôi cực từ (p≥ 1)

2p : Số cực từ

y : Bước của dây quấn (tính từ cạnh tác dụng thứ nhất đến cạnh tác dụng

thứ hai của cùng một phần tử)

m : Số pha

f : Tần số

a : Số mạch nhánh song song

n : Tốc độ từ trường

n1 : Tốc độ đầu trục

Các công thức tính toán trực tiếp:

q mp Z

2

= ; y Z p

2

= ; n=60p f

Bước cực (khoảng cách giữa các pha):

y

p

Z p

D = =

=

2 2 π τ

+ Nếu y=τ : Bước dây quấn đủ

+ Nếu y<τ : Bước dây quấn ngắn

+ Nếu y>τ : Bước dây quấn dài

III Vật liệu dùng trong máy điện:

1 Vật liệu kết cấu:

Vật liệu kết cấu là vật liệu dùng để chế tạo các chi tiết máy chịu tác động cơ học như trục, ổ trục, vỏ máy, nắp máy, các bộ phận và chi tiết truyền động hoặc kết cấu của máy theo các dạng cần thiết đảm bảo cho máy làm việc bình thường

Ngưởi ta thường dùng gang, thép, các kim loại màu, hợp kim và vật liệu bằng chất dẻo làm vật liệu kết cấu

2 Vật liệu tác dụng:

Là vật liệu dẫn từ và dẫn điện Các vật liệu này thường dùng để tạo điều kiện cần thiết sinh ra biến đổi điện từ

a) Vật liệu dẫn từ:

Để chế tạo mạch từ của máy điện người ta thường dùng các loại thép khác nhau như thép kĩ thuật điện, thép lá thường, thép đúc, thép rèn Gang ít được dùng vì dẫn

từ kém

Ta sử dụng chủ yếu lá thép kĩ thuật điện có hàm lượng silic khác nhau nhưng không vượt quá 4,5%.Hàm lượng silic này dùng để hạn chế tổn hao do từ trễ vả tăng điện trở của thép để giảm tổn hao dòng điện xoáy

Các lá thép dày 0.35mm được sử dụng trong máy biến áp và 0.5mm dùng trong máy điện quay ghép lại làm lõi thép để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên.Tuỳ theo cách chế tạo có thể chia lõi thép kĩ thuật điện ra làm 2 loại: Cán nóng và cán nguội.Cán nguội có từ tính tốt hơn như độ từ thẩm cao hơn, tổn hao thép ít hơn so với loại cán nóng

Ở đoạn mạch từ có từ thông biến đổi với tần số 50Hz thường dùng lá thép kĩ thuật điện dày 0.1-0.2mm Ở đoạn mạch từ có từ thông không đổi thường dùng thép đúc, thép rèn hoặc thép lá

b) Vật liệu dẫn điện:

Dùng để chế tạo các bộ phận dẫn điện.Vật liệu dẫn điện tốt nhất dùng trong các máy điện là đồng, vì chúng có điện trở suất nhỏ và giá thành không cao.Ngoài đồng

ta còn có thể dùng nhôm, các hợp kim như đồng thau, đồng photpho,… Để chế tạo dây quấn ta dùng đồng hoặc nhôm có bọc cách điện bằng sợi thuỷ tinh, giấy, nhựa hoá học, sơn emay,….Với các máy có công suất nhỏ và trung bình, điện áp

<700V thì thường dùng sơn emay cách điện vì lớp cách điện này rất mỏng, đạt độ bền yêu cầu.Với các bộ phận như vành đổi chiều, lồng sóc, vành trượt thì ngoài đồng, nhôm người ta còn dung các hợp kim của đồng hoặc nhôm để tăng độ bền cơ học cho lớp cách điện

3 Vật liệu cách điện:

Dùng để cách điện các bộ phận trong máy điện.Vật liệu cách điện phải có khả năng cách điện đạt yêu cầu đối với mỗi chi tiết, chịu nhiệt tốt, chống thấm và độ bền

cơ học cao Độ bền về nhiệt của chất cách điện bọc dây dẫn quyết định nhiệt độ cho phép của dây và do đó quyết định tải của nó.Nếu tính năng cách điện càng cao thì lớp cách điện có thể mỏng và kích thước máy sẽ giảm

Chất cách điện chủ yếu ở thể rắn, gồm 4 nhóm:

+ Chất hữu cơ thiên nhiên : Giấy, vải lụa,

+ Chất vô cơ : Mica, sợi thuỷ tinh,…

+ Các chất tổng hợp

+ Các loại men, sơn cách điện

Ngoài ra còn có chất cách điện thể khí (Không khí,khí trơ,Hyđrô,…), lỏng (Dầu máy biến áp)

Mica là chất cách điện tốt nhất nhưng giá thành khá cao nên chỉ dùng trong các máy điện áp cao.Vì vậy ta thường dùng các vật liệu có sợi như giấy, vải sợi,

….Không khí là 1 chất cách điện khá tốt, lại có sẵn trong tự nhiên.Khi cần khả năng cách điện tốt hơn nữa thì ta dùng khí trơ, Hyđrô.Dầu biến áp cũng là 1 vật cách điện rất quan trọng trong máy điện vì nó có thể len lỏi vào các khe hở nhỏ và có thể dập tắt hồ quang