bài giảng máy điện 1

bài giảng môn máy điện 1 thầy nguyễn văn đạt trường học viên nông nghiệp ( vnua ) nghành kỹ thuật điện điện tử . sline bài giảng máy điện 1 có cả giải bài tập . :))))))))))))))))))))))))))))))))))))))

Chương 1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ PHÂN LOẠI

1.1.1 Các khái niệm cơ bản

Máy điện là thiết bị điện từ, nguyên lý làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ và tác dụng tương hỗ giữa từ trường và dòng điện Dùng để biến đổi hoặc truyền tải năng lượng

- Máy phát điện biến đổi cơ năng thành điện năng;

- Động cơ điện biến đổi điện năng thành cơ năng;

- Máy biến áp dùng để biến đổi (truyền tải) năng lượng dòng điện xoay chiều.

Quá trình biến đổi năng lượng trong các máy điện đều phải thông qua điện từ trường tồn tại trong máy

Do đó bất kỳ máy điện nào cũng đều tồn tại cả hai loại mạch: mạch điện và mạch từ

1.1.2 Phân loại máy điện

- Phân loại theo nguyên lý làm việc:

+ Máy điện tĩnh: Máy biến áp Máy biến áp làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ do sự biến thiên từ thông

của các cuộn dây không chuyển động tương đối với nhau;

+ Máy điện quay: Nguyên lý làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ và sự tương tác giữa từ trường và dòng điện nằm trong từ trường của các cuộn dây chuyển động tương đối với nhau

- Phân loại theo t/c dòng điện

+ Máy điện xoay chiều;

+ Máy điện một chiều.

Máy điện

Động cơ KĐB

Máy phát KĐB

một chiều

Máy phát

Máy biến

áp

1.2 CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN TRONG MÁY ĐIỆN

k l

i dl

H

1



Định luật toàn dòng điện phát biểu như sau: Đi theo một đường vòng khép kín l nào đó, tích phân vòng của véc tơ cường độ từ trường H bằng tổng đại số các dòng điện

xuyên qua đường vòng

Trong đó: Nếu xoay cái xoáy đinh ốc theo chiều đi của

vòng thì chiều dòng điện nào trùng với chiều tiến của cái xoáy đinh ốc sẽ mang dấu dương, ngược lại sẽ mang dấu âm.

Nếu cuộn dây móc vòng lấy đường sức từ trung bình có w vòng dây và dòng điện qua cuộn dây (dòng điện từ hóa) là

i thì có công thức tính là:

Σi k = iw Tổng quát với mạch từ có m đoạn và n vòng dây

ΣH j l j = Σi k W k = ΣF k

1-3 VẬT LIỆU DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN

a) Vật liệu dẫn từ : thép kỹ thuật b) Vật liệu dẫn điện: đồng, nhôm, hợp kim c) Vật liệu cách điện : giấy cách điện , bìa

cách điện , Sơn, men, vải sợi, phíp, nhựa tổng hợp,…

1.3.1 Vật liệu kết cấu

1.3.2 Vật liệu tác dụng

PHẦN I MÁY BiẾN ÁP

2.1 Định nghĩa, phân loại

1 Định nghĩa: Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi hệ thống dòng đien xoay chiều ở điện áp này thành hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp khác với tần số không thay đổi

Chương 2 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG MÁY BIẾN ÁP

2.Phân loại

a MBA điện lực: dùng để tuyền tải trong hệ thống điện

b MBA điện lực chuyên dùng: dùng trong công nghệ luyện kim

b) a)

2.2 Cấu tạo MBA

2.2.1 Lõi sắt từ (mạch từ)

c)

1 Vật liệu chính: Các lá thép kỹ thuật, độ dày từ 0,25 mm đến 0,5m Hình dạng các lá thép: kiểu chữ I (a, b), kiểu chữ E (c)

- Kiểu trụ - bọc MBA ba pha công suất lớn và cực lớn (80 

100MVA trên một pha), điện áp 220  400kV) – hình f

- Tiết diện tác dụng của lõi thép:

dạng chữ nhật, dạng tròn

3 Công dụng: dùng để đặt dây quấn và làm mạch từ chuyển hóa

công suất điện từ giữa các mạch CA và HA

2.2.2 Dây quấn MBA

1 Cấu tạo dây quấn: - gồm nhiều vòng dây có tiết diện tròn hay chữ nhật

- vật liệu - nhôm hoặc đồng

- cách điện giữa các vòng, giữa các lớp dây, giữa dây quấn với trụ

- Có hai hay nhiều dây quấn

- Khi đặt trên một tụ thì dây quấn CA đặt ngoài, HA đặt trong

2 Phân loại:

+ Dây quấn đồng tâm: tiết diện ngang là những vòng tròn đồng tâm

- Dây quấn hình trụ - H1 4a, b Dùng cho CA, HA

- Dây quấn hình xoắn – H1 4c – dùng cho dq HA có nhiều sợi chập.

- Dây quấn xoáy ốc liên tục – H1 4d: dùng cho dq

CA, tiết diện chữ nhật

+ Dây quấn xen kẽ: Các dây quấn CA và HA đặt xen

kẽ dọc theo trụ thép

3 Chức năng: nhận và truyền năng lượng

4 Yêu cầu:

- Đảm bảo tính kinh tế về sử dụng vật liệu

- Cho hiệu suất cao

- Đảm bảo ổn định về nhiệt

- Đảm bảo ổn định điện khi quá điện áp

- Đảm bảo ổn định cơ học khi ngắn mạch

MBA công suất nhỏ có dạng thùng dầu phẳng

MBA công suất đến 3000 KVA có thùng dầu kiểu ống

MBA có công suất đến 10.000 KVA có thùng dầu với các bộ tản nhiệt làm mát tự nhiên

- MBA có công suất đến 30.000 KVA có thùng dầu với các bộ tản nhiệt làm mát cưỡng bức

2 Nắp máy và các chi tiết

• 25 Động cơ quạt gió làm mát

• 6, 26 Bộ truyền động chuyển mạch

2.3 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐỊNH MỨC CỦA MÁY BiẾN ÁP

1 Dung lượng: là công suất toàn phần đưa ra ở day quấn thứ câp MBA – S đm (VA hoặc kVA).

2 Điện áp dây sơ cấp định mức: U 1đm (V hoặc kV).

3 Điện áp dây thứ cấp định mức: U 2đm (V hoặc kV)

4 Dòng điên dây định mức: I 1đm , I 2đm (A hoặc kA)là các dòng điện ứng với công suất và điện áp định mức tương ứng.

Với MBA 1 pha I 1đm = S đm /U 1đm , I 2đm = S đm /U 2đm ;

Với MBA 3 pha I 1đm = S đm /1,73U 1đm , I 2đm = S đm /1,73U 2đm.

5 Tần số định mức: f đm Hz (f đm = 50Hz)

2.4 Nguyên lý làm việc MBA lý tưởng

i1 = Imsinωt → Ф = Фmsinωt; Ф → e

2

2

2 2

1

1

1 1

44 ,

4 2

.

2 2

.

44 ,

4 2

.

2 2

.

fw

w f

w E

fw

w f

w E

m

m m

m

m m

sin(

2 cos

.

) 2

sin(

2 cos

.

2 2

2 2

1 1

1 1

t

w dt

d w e

t E

t

w dt

d w e

m t

m t

S.đ.đ của một vòng dây:

m

E  4 , 44 

2 Hệ số biến đổi của máy biến áp

1

2

2 1

2

1

2 1

i

i u

u k

u

u e

e k

d w

dt

d w e

e k

1 Đấu sao

Ba đầu đầu các cuộn dây nối với nguồn.

Ba đầu cuối nối chung

2 Đấu tam giác

Đầu đầu cuộn dây này nối với cuối cuộn dây kia

3 Đấu zich zăc

Mỗi pha dây quấn gồm hai nửa đặt trên hai

trụ khác nhau mắc nt

và ngược chiều nhau

3.1.2 Khái niệm tổ nối dây MBA

Tổ nối dây MBA được hình thành do sư phối hợp kiểu dây quấn

sơ cấp so với kiểu dây quấn thứ cấp.

Tổ nối dây MBA biểu thị góc lệch pha giữa s.đ.đ dây của dq sơ cấp va dq thứ cấp

Tổ nối dây phụ thuộc:

- Chiều quấn dây

- Cách ký hiệu các đầu ra

- Kiểu đấu dây quấn sơ cấp và thứ cấp

Quy ước dùng vị trí kim đồng hồ biểu diễn và gọi tên tổ nối dây MBA

Kim dài ở vị trí số 12 ứng với véc tơ s.đ.đ sơ cấp

Kim ngắn chỉ 1, 2, 3, …, 12 ứng với véc tơ s.đ.đ thứ cấp

Có tổ nối dây 1, 2, 3, ….

Ví dụ:

Kim dài chỉ số 12, kim ngắn 12

Tổ nối dây là I/I – 12

Ví dụ:

Kim dài chỉ số 12, kim ngắn 6

Tổ nối dây là I/I - 6

X Y Z

X

a

x B

Y

b

y C

Z

c z

+ Giả thiết điện áp các pha đối xứng, Φ a + Φ b + Φ c = 0

có thể bỏ trụ ghép chung, ta có mạch từ đơn giản hơn

Ưu điểm:

- Tiết kiệm vật liệu sắt từ, chế tạo đơn giản hơn

- Giảm kích thước chung của MBA

- Giảm tổn thất sắt từ

- Giảm trọng lượng MBA

Hệ thống mạch từ chung trong MBA ba pha

b)

3.2.2 Những hiện tượng xuất hiện khi từ hóa lõi thép MBA

1 MBA một pha

Khi MBA không tải: u 1 → i 1 ≈ i o → Φ 1

Khi không xét đến tổn hao trong lõi thép:

Khi tính đến tổn hao trong lõi thép

Dòng không tải gồm hai thành phần i o (t)= i 0r + i 0x

2 MBA ba pha nối Y/Y

Khi MBA không tải, xét từng pha thì dòng điện trong các pha:

i o3A = I o3m sin3ωt

i o3B = I o3m sin3(ωt – 120 o ) = I o3m sin3ωt

i o3B = I o3m sin3(ωt – 240 o ) = I o3m sin3ωt

Do các pha SC nối sao nên

I o3a + I o3b + I o3c = 0

Dòng từ hóa

I o = I o1 + I o3 + I o5 + … có dạng sin

của dây quấn.

• Hỏng thiết bị đo lường

• Ảnh hưởng đến dây thông tin

Ф 1 Ф

Ф 3

E

E 3

E 1

MBA ba pha ba trụ nối Y/Y

Hệ thống mạch từ chung nên Ф3 trong các trụ cùng chiều tại mọi thời điểm nên không khép mạch trong trụ mà bị đẩy ra ngoài nên Φ3 không lớn.

Từ thông Φ trong mạch sẽ có dạng sin s.đ.đ cảm ứng E f có dạng sin

Từ thông bậc ba khép mạch qua vách thùng và gông nên tổn hao tăng

Nhìn chung cách nối Y/Y ít sử dụng

b) Trường hợp MBA nối Y/Δ

Do các pha SC nối sao nên

Io3a + Io3b + Io3c = 0

c) Trường hợp MBA nối Δ/Y

Dây quấn sơ cấp đấu Δ nên io3 tồn tại và khép kín trong mạch nên dòng từ hoá io có dạng nhọn đầu như với MBA một pha

io = Io1 + io3

Từ thông và các s đ đ có dạng sin gống như ở

MBA một pha

Chương4 QUAN HỆ ĐiỆN TỪ TRONG MBA

4.1 Các phương trình cơ bản trong MBA

dt

d dt

d W e

dt

d dt

d W e

2 2

2

1 1

dt

d dt

d W e

dt

di L

dt

d dt

d W e

t

t t

t

t t

2 2

2

2 2

2

1 1

1

2 1

3 Phương trình s.t.đ.

Thông thường Z 1 I 1 << E 1 nên E 1 ≈ U 1 = U đm = hs Nên:

Ф m = U 1 /4,44fN 1 = hs.

Trong trường hợp không tải , từ thông do dòng i o gây ra

Trong trường hợp có tải, từ thông do dòng i 1 và i 2 sinh ra

4.2 Mạch điện thay thế MBA

1 Lý do: các mạch SC và TC không cùng cấp điện áp nên người

ta tìm cách quy đổi hai mạch về cùng cấp điện áp cho thuận tính toán cho các chế độ làm việc và tính toán bảo vệ MBA,…

3 Các đại lượng quy đổi:

2 Nguyên tắc khi quy đổi MBA

-Công suất MBA không thay đổi trước và sau quy đổi

- Các quá trình năng lượng không bị ảnh hưởng

- Cá quá trình điện từ không bị ảnh hưởng

4.3 MẠCH ĐiỆN THAY THẾ MBA

Mạch điện thay thế giản hoá

4.4 ĐỒ THỊ VÉC TƠ MBA

4.5 THÍ NGHIỆM KHÔNG TẢI MBA

1 Sơ đồ thí nghiệm

2 Đặt điện áp hình sin vào dây quấn sơ cấp Dây quấn thứ cấp để hở mạch nên i 2 = 0 Dòng điện chỉ có ở mạch sơ cấp với i 1 = io

3 Các đại lượng đo

U 1đm ; U 20 ; I 0 ; P 0

A1W

2 0

20

m 1 2

1 2

1

U

U E

E w

% 10

% 1

100 I

2 0

0 0

1

0 0

x r

r I

U

P cos

2 0 1

2 0 m

0 r I r I r I

Giản đồ và hệ phương trình mô tả MBA không tải

0 m

0 1

' 2 1

m 0 1

0 1

' 2

' 20

Z I Z

I Z

I U

E E

Z I E

I I

E U

4.6 THÍ NGHIỆM NGẮN MẠCH MBA

2 Cách làm TN:

-Nối ngăn mạch cuộn thứ cấp

- Tăng dần điện áp đặt vào cuộn sơ cấp đến khi I 1n = I 1đm ; I 2n =

I 2đm

- Đo công suất P n ; U 1n

1 Sơ đồ thí nghiệm

3 Tính toán các đại lượng ngắn mạch

Tổn thất công suất bằng tổn hao đồng trên hai dây quấn

P n = I 2

1đm r 1 + I 2

2 r 2đm = I 2

n r n Tông trở ngắn mạch:

Z n = U n /I 1đm ; Điện trở ngắn mạch: r n = r 1 + r’ 2 = Pn / I 2

r 2t = r’ 2 /k 2 ; x 2t = x’ 2 /k 2

n 1n

2 nx

2 nr

100 U

I

z U

U

dm

1dm n

1dm n

1

m 1 n m

nx % 100 U

n

n n

n

n

Z

r I

Sơ đồ thay thế MBA ngắn mạch

Phương trình điện áp khi MBA ngắn mạch là:

Ů 1 = İ n (r n + jx n )İ n = İ n Z n

Nếu U 1 = U 1đm thì do tổng trở ngắn mạch rất nhỏ nên dòng

điện sẽ rất lớn nên cần tránh xảy ra ngắn mạch khi U1 lớn

đm n

đm đm

đm n đm đm

đm n

đm

% u

.100

I 100

.100 U

I Z

I 100

.100 I

I Z

U

Chương 5.

Các đặc tính làm việc với tải đối xứng của MBA

5.1 Chế độ làm việc có tải của máy biến áp

Chế độ làm việc có tải của máy biến áp là chế độ trong đó dây quấn sơ cấp được nối vào nguồn có điện áp bằng điện áp định mức, dây quấn thứ cấp nối với tải.

Để đánh giá mức độ tải người ta đưa ra hệ số phụ tải k pt :

k pt = I 2 /I 2đm  I 1 /I 1đm ;

Khi k pt = 1: Tải định mức;

Khi k pt < 1: Máy làm việc non tải;

Khi k pt > 1: Máy làm việc quá tải 1

5.2 Quá trình năng lượng của MBA

Công suất điện tiêu thụ từ lưới của

một pha

P 1 = U I I 1 cos

Công suất điện từ chuyển qua khe

hở không khí sang TC:

P đt = P 1 - p Cu1 – p Fe = E’ 2 I’ 2 cosψ 2

Tổn hao đồng trong dây quấn SC và

Công suất phản kháng điện tiêu thụ

từ lưới của một pha

Q 1 = U I I 1 sin

Công suất điện từ chuyển qua khe

hở không khí sang TC:

Q đt = Q 1 - q 1 – q m = E’ 2 I’ 2 sinψ 2

Tổn hao do TT tản trong dây quấn

SC và tổn hao do TT tản trong lõi thép:

MBA:

Q 2 = Q đt – q 2

d2 st

d1 1

1

2

P

ΔP ΔP

ΔP

P P

2dm

2dm m

Cu2 st

m Cu1 m

2

2dm

P P

P

P P

P P

η

n

2 pt 0

2 dm

pt

2 dm

pt

P k

P cos

S k

cos S

k η

5.4 MBA làm việc song song

•Quy định hệ số biến áp của máy biến áp 3 pha là

tỷ số giữa điện áp dây sơ cấp và thứ cấp

•Tỷ số này không những phụ thuộc vào số vòng

dây quấn sơ cấp và thứ cấp mà còn phụ thuộc vào

cách nối dây

2

1 2

1 2

1

3

3/

w

w U

U U

U k

Y Y

Dâyquânnôi

p

p d

d

2

1 2

1 2

/

w

w U

U U

U k

Y

Dâyquânnôi

p

p d







Điều kiện để các máy biến áp làm việc song song

+ Điện áp sơ cấp và thứ cấp của các máy biến

áp tương ứng phải bằng nhau nghĩa là hệ số

máy biến áp k bằng nhau:

k I = k II = … = k N

Δk ≤ 0,5% k tb

+ Tổ đấu dây của các máy phải giống nhau

+ Điện áp ngắn mạch phần trăm của các máy phải bằng nhau:

U kI % = U kII % = … U kN %.

Trong thực tế cho phép sai khác 10%

Đồ thị véc tơ MBA làm

việc không tải k1 ≠ k2

Khi có tải với k1 ≠ k2 dòng cân bằng làm lệch pha các dòng thứ cấp

Điều kiện hệ sô k u bằng nhau

nII nI

cb

2II I

1

Z Z

E

Δ I

E E

E Δ

Điều kiện điện áp ngắn mạch u n % bằng nhau





ni

đmI đmI

nI

2I

u

U I

u

I I

100 U

I

z U

U

dm

1dm n

n dm

1dm

n n

I

U u

z U

nI nI

2I

Z

1 Z

I Z

đmI đmI

nI đmI

đmI

2I pt1

u

Uu

Iu

UI

uI

II

Ik

ni

đmI đmI

nI đmI

đmI

2I pt1

u

Uu

Iu

UI

uI

II

Ik

ni

đmI đmI

nI đmI

đmI

2I pt1

u

Uu

Iu

UI

uI

II

Ik

nIII nII

nI

ptIII ptII

ptI

u

1 :

u

1 :

u

1 k

: k

:

nIII nII

nI

ptIII ptII

ptI

u

1 :

u

1 :

u

1 k

: k

:

VD u nI = 0,05; u nII = 0,1; u nIII = 0,2

k ptI : k ptII : k ptIII = 20: 10: 5

Kết luận: MBA có điện áp ngắn mạch u n nhỏ chịu quá tải lớn, MBA có u n lớn chịu quá tải nhỏ.

Nếu các MBA có u n bằng nhau chịu quá tải bằng nhau

30 o

MBA1 tổ nối Y/Δ -11

MBA2 tổ nối Y/Y – 12

ΔE = 2Esin15 o = 0,518E

dm đm

cb

dm n

nI

nII nI

cb

I z

E I

z z

z

z z

E I

18 ,

5 )

05 , 0 05

, 0 (

518 ,

0

05 ,

5.5 Chế độ ngắn mạch

Chế độ ngắn mạch:

Phía thứ cấp bị nối ngắn mạch Phía sơ cấp vẫn đặt vào điện áp.

Có hai loại:

Ngắn mạch thí nghiệm

Ngắn mạch vận hành.(su co) Ngắn mạch 1 pha

Ngắn mạch hai pha

Ngắn mạch ba pha

Chương 6 Chế độ làm việc với tải không đối xứng của MBA 3 pha

Thứ tự thuận: Ia1, Ib1, Ic1

Thứ tự nghịch: Ia2,I b2,Ic2

Thứ tự không: Ia0,Ib0,Ic0

a0 a2

2

2

c b a

I I

I

a a

1

a a

1

1 1

1 I

2

2

a2 a1 a0

II

I

aa

1

aa

1

11

13

1I

A B C

a b c o

I

IA   B  C 



b0 a0

d c

' C mo

co CA

AB C

mo bo

' B mo

bo CA

AB B

mo ao

' A mo

ao CA

AB A

Z I U

Z I ) U U

( 3

1

U

Z I U

Z I ) U U

( 3

1

U

Z I U

Z I ) U U

( 3

C

' C c

to bo n

B

' B b

to ao n

A

' A a

Z I Z

I - U U

-Z I Z

I U

U

-Z I Z

I U

Sơ đồ nối Y/Y o :

Phía SC không có dòng TTK, Phía thứ cấp có dòng TTK

I ao Z mo

A B C

a b c o

7.1 Quá trình quá độ MBA

Chương 7 Quá trình quá độ trong máy biến áp

Các loại máy biến áp đặc biệt

) Ψ

t W

U L

r dt

0 1

1 1

0 1

0 1

L

W i

) Ψ t

U i

r dt

d

t L

R du

m m

t L

r m

t L

r m

t L

r qđ

m xl

e t

e A t

Ae

t W

r

L W f

Ae

t W

( ) cos(

)

2

), sin(

0 0

0

0 1

1

0 1

2 Quá dòng điện khi ngắn mạch

• Nguyên nhân

7.2 Các loại MBA đặc biệt

1 Máy biến điện áp

2 Máy biến dòng

3 Máy biến áp tự ngẫu

5 Máy biến áp hàn hồ quang

Là MBA dùng để hàn kim loại bằng phương pháp hồ quang điện Máy có điện kháng tản lớn

Đặc tính hàn dốc, dòng hàn lớn và ít thay đổi

Điện áp thứ cấp từ 60 – 80 V

Cuộn thứ cấp nỗi với điện kháng ngoài để đ/c dòng hàn

6 Máy biến áp ba dây quấn

7.1 Cấu tạo máy điện một chiều

7.1.1 Stato

1 Thân máy

- Làm từ thép cuốn, để đặt các thiết bị như cực từ chính, cực từ phụ, hộp đấu dây, nắp máy, và để làm mạch từ

- Nắp máy thường được đúc từ thép hoặc gang,

dùng để đặt ô đỡ trục roto, đặt giá đỡ chổi than

2 Cực từ chính

• - Là bộ phận sinh ra từ trường chính trong máy điện một chiều, gồm lõi thép và cuộn dây

• - lõi thép thường được ghép bởi các lá thép KTĐ

• Cuộn song song có nhiều vòng với tiết diện tròn,

nhỏ nếu công suất máy nhỏ và tiết diện CN nếu công suất máy lớn.

• Cuộn nối tiếp ít vòng với tiết diện dây dẹt và lớn.

• - Dây quấn kích từ thường nối nối tiếp với nhau