giáo trình máy điện , đại học bách khoa hà nội

Trang 1

Bộ Môn Thiết Bị Điện – Điện Tử

Giảng viên: Tiến sĩ Đặng Quốc Vương

Email: vuong.dangquoc@hust.edu.vn Phone: +84-963286734

Trang 2

2

GIỚI THIỆU CHUNG

!   Cung cấp cho sinh viên kiến thức cơ bản về máy điện

!   Sau khi học xong học phần này sinh viên hiểu rõ cấu tạo và nguyên lý làm việc của các loại máy điện, mô hình toán mô tả các quá trình vật lí trong máy điện và các đặc tính chủ yếu của các loại máy điện

!   Nắm được phạm vi ứng dụng của các loại máy điện

1 Mục đích

2 Tài liệu tham khảo

!   Bài giảng: Máy điện (nhóm Máy điện – BM Thiết bị điện - Điện tử)

!   Sách tham khảo:

- Bài giảng MĐ PGS Phạm Văn Bình, Ths Lê Minh Tiệp, TS Đặng Quốc Vương

- Máy điện Tập 1 & 2 Bùi Đức Hùng Triệu Việt Linh NXB Giáo dục Hà nội 2007

- Máy điện 1 & 2 Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu

Trang 3

MÁY ĐIỆN I

Nội dung Chương 1 Máy biến áp

Chương 3 Máy điện không đồng bộ

Chương 4 Máy điện đồng bộ

Chương 5 Máy điện một chiều

Chương 2 Những vấn đề chung về MĐ quay

Trang 4

I Tổng quan về hệ thống năng lượng điện

Nội dung

Chương 1 Máy biến áp

4

II Khái niệm chung về Máy biến áp

III Quan hệ điện từ trong Máy biến áp

IV Các chế độ làm việc trong Máy biến áp

V Máy biến áp ba pha

Trang 5

Nội dung

Trang 6

Đ dây truyền tải

Khu vực tiêu thụ điện năng

TBA truyền tải

TBA phân phối Đường dây phân phối điên

Hộ tiêu thụ điện năng

I Tổng quan về HT năng lượng điện (1/6)

Thiết bị tự động phân phối

Trang 7

1.2 Các định luật điện từ thường dùng trong máy điện

a Định luật cảm ứng điện từ (định luật Faraday)

trong đó, là từ thông móc vòng của cuộn dây

Trang 8

8

a Định luật cảm ứng điện từ (định luật Faraday) (tiếp)

!   Khi thanh dẫn chuyển động với vận tốc v, nằm vuông góc từ trường sẽ cảm ứng sđđ e theo quy tắc bàn tay phải (hình 1.2):

Trang 9

- dòng điện chạy trong thanh dẫn (A)

- chiều dài của thanh dẫn (m)

i

Hinh 1.3

l l

B

Trang 10

10

!   Goi H là cường độ từ trường tạo bởi tập hợp các dòng điện i1; I2; …In vqf

C là đường cong khép kín trong không gian bao quanh các dây dẫn mang tập hợp dòng điện trên Theo định luật ampere ta có:

- cường độ từ trường trong mạch (A/m)

- chiều dài trung bình của mạch từ đo bằng mét

- là số vòng của cuộn dây

c Định luật toàn dòng điện

Trang 11

1.3 Các loại vật liệu dùng trong máy điện

a Vật liệu dẫn điện: Cu, Al, hợp kim

Cấp cách điện Y A E B F H C Nhiệt độ làm việc cho

phép 90 105 120 130 155 180 > 180

c Vật liệu cách điện:

!   Cường độ cách điện cao, chịu nhiệt tốt, tản nhiệt tốt, chống ẩm & bền cơ học

!   Phần lớn ở thể rắn : 4 nhóm :

"   Chất hữu cơ thiên nhiên : giấy, lụa …

"   Chất vô cơ : amiăng, mica, sợi thủy tinh …

"   Các chất tổng hợp

"   Các loại men, sơn cách điện

!   Cách điện thể khí (không khí), thể lỏng (dầu)

!   Nhiệt độ tăng quá nhiệt độ làm việc cho phép 8 ~ 10°C => tuổi thọ giảm ½ (15-20)

b Vật liệu dẫn từ: Vật liệu sắt từ : thép kỹ thuật điện, gang, thép đúc, thép rèn…

Trang 12

12

Nội dung

Trang 13

!   Ký hiệu MBA trong hệ thống điện lực:

Trang 14

14

!   MBA có vai trò đặc biệt quan trọng trong mọi lĩnh của nền kinh tế

!   Là thiết bị đặc biệt quan trọng trong hệ thống truyền tải và phân phối

điện năng, giúp giảm tổn hao trên hệ thống truyền tải điện

!   Sử dụng để truyền tải và phõn phối điện năng

2.3 Cụng dụng của MBA

2.2 Vai trũ của MBA

MFĐ

3 ữ 21kV

MBA tăng ỏp

35, 110, 220,

500 kV hạ ỏp MBA

Hộ tiờu thụ 0,4 – 6kV

Đường dõy truyền tải

II Khỏi niệm chung về Mỏy biến ỏp (2/29)

Cựng cụng suất S, nếu ↑ Ud → Id ↓ dẫn đến:

→ ∆U = R d I d ↓

→ trọng lượng, tiết diện chi phi làm dõy dẫn giảm

→ ∆P = R d I 2

d ↓

Trang 15

2.3 Công dụng của MBA (tiếp)

II Khái niệm chung về Máy biến áp (3/29)

!   MBA sử dụng trong các thiết bj chuyên dụng:

"   Trong lò nung: MBA lò

"   Trong hàn điện: MBA hàn

"   Trong thí nghiệm: MBA thí nghiệm

"   Trong đo lường: Máy biến điện áp, máy biến dòng điện…

Trang 16

16

Hình ảnh MBA phân phối (kiểu trạm treo)

Trang 17

Trang 20

20

Trang 21

Trang 22

Trang 23

Trang 24

24

Trang 25

2.4 Cấu tạo MBA

2.4.1.Lõi thép: Lõi thép được ghép bằng những lá kỹ thuật điện thành mạch từ

khép kín dùng để dẫn từ thông chính, đồng thời làm khung để quấn dây

MBA bao gồm các bộ phận chính: lõi thép, dây quấn và vỏ máy Ngoài ra còn

có vỏ máy, cách điện, sứ cách điện…

1 - Cuộn dây hạ áp; 2 - Cuộn dây cao áp; 3 - Mạch từ

Trang 26

2.4 Cấu tạo MBA (tiếp)

Bản vẽ cấu tạo máy biến áp"

1- Ruột máy, 2 -Vỏ máy, 3 - Nắp máy, 4 - Sứ cao thế, 5 - Móc treo nắp, 6,7 - Cánh tỏa nhiệt, 8 - Chân đế, 9 - Sứ hạ thế

Trang 27

Cách ghép nối mạch từ của MBA

Trang 28

28

Trang 29

2.4.2 Dây quấn:

!   Dây quấn là bộ phận dẫn điện của MBA, làm nhiệm vụ thu năng lượng vào

và truyền năng lượng ra

!   Yêu cầu với dây quấn là cảm ứng được sđđ cho trước, cho phép dòng

điện định mức đi qua lâu dài mà không nóng quá mức cho phép

2.4 Cấu tạo MBA (tiếp)

Trang 30

30

Theo cách sắp xếp dây quấn CA và HA, người ta chia ra làm hai loại dây quấn chính: Dây quấn đồng tâm và đây quấn xen kẽ

Dây quấn kiểu trụ:

2.4.2 Dây quấn (tiếp):

a Dây quấn đồng tâm

a) b)

#   Với tiết diện lớn dùng dây dẫn bẹt, thường

được quấn thành hai lớp (hình b) và thường

làm dây quấn HA (điện áp 6kV trở xuống)

#   Với tiết diện nhỏ dùng dây dẫn tròn, được

quấn thành nhiều lớp (hình a) và thường làm

dây quấn CA (điện áp tới 35kV)

Trang 31

Dây quấn hình xoắn ốc:

a Dây quấn đồng tâm (tiếp)

c) d)

"   Gồm nhiều sợi dây chập lại và quấn theo

hình xoắn ốc, giữa các vòng dây có các rãnh

hở (hình c) Nó thường dùng dây quấn HA

của các MBA có công suất trung bình và lớn

"   Dùng các dây bẹt quấn thành những bánh

dây phẳng cách nhau bằng các rãnh hở (hình

d) Dây quấn này chủ yếu làm cuộn CA ( điện

áp 35kV trở lên và dung lượng lớn)

Dây quấn hình xoắn ốc liên tục:

Trang 32

32

"   Các bánh dây CA, HA lần lượt quấn xen kẽ nhau dọc

theo trụ thép Thường có một bánh HA được chia làm

hai đặt sát gông Kiểu này thường dùng trong các

MBA mà cả hai dây quấn có nhiều đầu dây

b Dây quấn xen kẽ

Trang 33

Hình cắt và cấu tạo ruột MBA

Trang 34

34

Lắp ráp dây quấn vào lõi thép

Trang 35

Trang 36

36

Trang 37

Trang 38

38

Trang 39

Vỏ làm nhiệm vụ chứa dầu làm mát và bảo vệ MBA Trên nắp vỏ máy có

đặt sứ ra của dây quấn CA và HA, bình giãn dầu Bình giãn dầu dảm bảo

đủ thể tích co – giãn dầu khi nhiệt độ dầu thay đổi; ngoài ra, nhờ quan sát

dầu ở bình giãn dầu có thể biết trong thùng luôn dầy dầu Vỏ máy có yêu

cầu sau:

2.4.3 Vỏ máy

#   Vỏ thùng phải kín và có diện tích tản nhiệt lớn nhất có thể

#   Có khẳ năng bảo vệ dầu MBA chong xuống cấp do sự tác động của

nhiều yếu tố khác nhau

#   Có độ bền cơ khí cao để đảm bảo khi nâng hạ, vận chuyển vỏ MBA

không bị biến dạng keo theo biến sạng chi tiết ruột máy

#   Cho phép lắp các thiết bị chuyển đổi điện áp, các thiết bị chuyển tiếp

nguồn điện trong ra ngoài (sứ cao, hạ áp) các thiết bị đo (nhiệt độ), bảo

vệ

Trang 40

40

2.4.3 Vỏ máy (tiếp)

Trang 41

2.4.3 Vỏ máy (tiếp)

Trang 42

2.5 Nguyên lý làm việc của MBA

!   Từ thông biến thiên làm cảm ứng ở dây quấn sơ cấp và thứ cấp các sđđ e1

và e2 Chiều của sđđ và từ thông chọn theo quy tắc vặn nút chai Theo định

luật cảm ứng điện từ:

Trang 43

2.5 Nguyên lý làm việc của MBA (tiếp)

) 2

t sin(

E 2

) 2

t sin(

.

w

t cos

.

w dt

d w e

1 m

1

m 1

1 1

π

− ω

=

π

− ω Φ

ω

=

ω Φ

t sin(

E 2

!   Trong đó: E1, E2 là giá trị hiệu dụng của các sđđ dây quấn w1 và w2:

m 1

2

w f.

.

2 2

w

m 2

2 4 , 44 f w

Ta dễ thấy: sđđ sơ cấp và sđđ thứ cấp có cùng tần số nhưng trị số hiệu

Trang 44

44

!   Lấy E1 chia cho E2 ta được: k : gọi là hệ số biến áp

w

wE

E

2

1 2

!   Nếu bỏ qua điện áp rơi trên các dây quấn ta có:

2

2 1

1 2

1

w

Uw

UU

UE

Ew

w

2.6 Nguyên lý làm việc của MBA (tiếp)

Trang 45

2.7 Các thông số định mức của MBA

a Điện áp định mức

Với máy 1 pha là điên áp pha, với máy 3 pha là điện áp dây

!  Điện áp định mức sơ cấp : U1đm (V) hoặc kV

Trang 46

!  Với MBA 3 pha:

Ngoài các thông số ở trên, trên nhãn máy còn ghi: điện áp ngắn mạch Un%;

tổ nối dây, tần số, chế độ làm việc, tiêu chuẩn sản xuất vv

Trang 47

Nội dung

Trang 48

48

III Quan hệ điện từ trong MBA (1/13)

a Chiều dòng điện, điện áp

Hình 3.1 vẽ SĐNL MBA một pha, dây quấn

w1 nối với u1, dây quấn w2 nối với phụ tải

có tổng trở Z, chiều của dòng điện, điện

áp, từ thống trong máy được xác định như

trên hình vẽ

3.1 Các phương trình cân bằng điện và từ của MBA

Hinh 3.1 dòng điện và điện áp

Trang 49

b Phương trình cân bằng điện áp

3.1 Các phương trình cân bằng điện và từ của MBA (tiếp)

!   Xét mạch điện như hình 3.1, gồm nguồn điện u1,, u2, sđđ e1, et1, e2, et2, điện trở dây quấn R1, R2 Viết phương trình định luật Kiếchốp 2 cho mạch điện phía sơ cấp và thứ cấp, ta có:

!   Phương trình cân bằng điện áp viết dưới dạng số phức sẽ là:

Trang 50

50

c Phương trình cân bằng từ động (stđ)

Như vậy, nếu điện áp vào không đổi thì từ thông Φ không đổi Ta suy ra stđ tổng không đổi ở mọi chế độ phụ tải

!   Khi có tải, từ thông chính Φ do dòng điện i1 và i2 tạo nên, nói cách khác

do stđ tổng sơ cấp và thứ cấp (i1w1 + i2w2) sinh ra

Phương trình cân bằng stđ thực chất là phương trình cân bằng dòng điện

3.1 Các phương trình cân bằng điện và từ của MBA (tiếp)

!   Khi không tải dòng điện sơ cấp i1 = i0, từ thông chính Φ do stđ i0w1 sinh ra

Trang 51

c Phương trình cân bằng từ động stđ (tiếp)

)I(I

II

=

− +

=

−

=

+ +

−

= +

−

=

) I ( I

I

) X I j ( ) r I ( E

Z I E

U

X I j r

I E

Z I E

U

' 2 0

1

2 2 2

2 2

2 2 2

2

1 1 1

1 1

1 1 1

Trang 52

3.2 Quy đổi MBA

!   Do MBA có 2 cuộn dây cách ly nhau và cách điện với mạch từ nên việc xét quá trình năng lượng sẽ gặp khó khăn

!   Để thuận lợi cho việc nghiên cứu, người ta nối hai dây quấn lại với nhau (giả tưởng) Muốn vậy ta phải quy đổi các thông số từ dây quấn nọ sang dây quấn kia Các trị số quy đổi được ghi thêm dấu phẩy, e.g., U’2, I’2

2

2 2

1 2

m 2

2

m 1

m 2

2

E k

E w

w E

w f 44 , 4 E

w f 44 , 4

=

Φ

= Φ

I E I

.

2 2

Muốn quy đổi thì hai cuộn dây phải cùng điện áp hay sđđ

Trên nguyên tắc công suất truyền tải không đổi, ta có:

52

Trang 53

c Điện trở và điện kháng thứ cấp quy đổi:

2

2 2

2

2 2 2

=

− +

=

−

=

+ +

−

= +

−

=

'

' 2 0

1

2

' 2 2

' 2

' 2 2

' 2

1 1 1

1 1

1 1 1

1

E E

) I ( I

I

) X I j ( ) r I ( E

Z I E

U

X I j r

I E

Z I E

Trên nguyên tắc tổn hao không đổi, ta có:

Trang 54

3.3 Sơ đồ thay thế và đồ thị véc tơ của MBA

-  Rth , Xth là điện trở và điện kháng của nhánh từ hoá

Trang 55

a Sơ đồ thay thế (tiếp)

!   Thông thường tổng trở nhánh từ hóa (Rth, Xth) rất lớn, dòng điện từ hóa

I0 rất nhỏ Để đơn giản ta có thể bỏ qua nhánh từ hóa, ta có sơ đồ thay

thế dạng đơn giản của MBA

!   Trong đó: Rn = R1+R’

2, Xn = X1+X’

2 – điện trở, điện kháng ngắn mạch của MBA

!   Khi mang tải định mức, zt =zt.đm, dòng điện trong máy I1 = I1đm; I2 = I2đm

Trang 56

!   Tải của MBA thường có tính cảm (RL) hay tính dung (RC) Ta sẽ

xem xét hai trường hợp của tải:

Trang 57

3.4 Thí nghiệm xác định thông số của MBA

a Thí nghiệm không tải

Từ các số liệu thí nghiệm ta xác được tổng trở, điện trở, điện kháng của MBA:

1

U

U w

w

!   Tỷ số MBA k:

!   Dòng điện không tải %:

Trang 58

m 1

2 0

0 0

0

2 0 m

1

2 0

I

P r

r I )

r r

o 1dm

o 0

.I U

P cos ϕ =

!   Tổn hao không tải và điện trở không tải:

!   Tổng trở không tải và điện khác không tải:

!   Hệ số công suất không tải:

58

a Thí nghiệm không tải (tiếp)

Trang 59

2 n 2

1

2 n n

I

P r

r I )

r r

r

2

x x

x

n

n 2

1

Trang 61

Nội dung

Trang 62

62

IV Các chế độ làm việc của MBA (1/7)

4.1.1 Giản đồ năng lượng của MBA

!   Khi tải có tính cảm ϕ2 > 0 → Q2 > 0, lúc đó Q1 > 0 → công suất phản kháng

truyền từ dây quấn sơ cấp sang dây quấn thứ cấp

!   Khi tải có tính dung ϕ2 < 0 → Q2 < 0

#  Q1 < 0: công suất phản kháng truyền từ dây quấn thứ cấp sang dây quấn sơ cấp

#  Q1 > 0: MBA lấy công suất phản kháng từ phía sơ cấp và thứ cấp để từ hoá nó

P2 + jQ2

pCu1 + jq1 pFe + jqth pCu2 + jq2

Φ cosϕ1

cos ϕt (cosϕ2)

4.1 Chế độ làm việc với tải đối xứng

Trang 63

4.1.2 Độ thay đổi điện áp của MBA và cách điều chỉnh

!   Khi MBA làm việc, điện áp thứ cấp U2 thay đổi theo trị số và tính chất điện cảm hay điện dung của dòng tải

!   Hiệu số học của điện áp thứ cấp lúc không tải U20 và lúc có tải U2 khi U1không đổi gọi là độ thay đổi điện áp ∆U của MBA

∆U = U20 – U2

a Độ thay đổi điện áp

100

* U

U

U ΔU%

Trang 64

64

a Độ thay đổi điện áp (tiếp)

Ta thấy ΔU=f(β,cosϕ2) như vậy U2 phụ thuộc vào β và cosϕ2, để giữ cho U2

= const khi tải thay đổi →?

U%

ϕ> 0

2

1 2 3 4

-1 -2

0.2 0.4 0.6 0.8 1 0.8

3 4

ϕ< 0

2

0

ΔU = f( ) khi cos =const β ϕ

2 U = f( ) khi =const cos ϕ β

2

IV Các chế độ làm việc của MBA (3/7)

Định dạng
Số trang	86
Dung lượng	18,41 MB