Sơ lược về máy biến áp

IV. MÁY ĐIỆN

2. Sơ lược về máy biến áp

2.1. Vai trị và cơng dụng của máy biến áp:

Để dẫn điện từ nhà máy phát điện đến hộ tiêu thụ cần có đường dây tải điện (hình 4.2). Thông thường khoảng cách từ nơi sản xuất điện đến hộ tiêu thụ lớn.

Hình 4.2. Sơ đồ mạng truyền tải điện đơn giản

Muốn truyền tải cơng suất lớn đi xa mà ít tổn hao và tiết kiệm kim loại màu, trên đường dây tải ta phải dùng điện áp cao (thường là 35, 110, 220 hay 500 KV). Trên thực tế, các máy phát điện khơng có khả năng phát ra những điện áp cao như vậy (thường chỉ từ 3  21 KV), do đó phải có thiết bị tăng điện áp ở đầu đường dây lên và

27 | P a g e

giảm điện áp xuống giá trị yêu cầu (380V, 220V, 24V….) ở hộ tiêu thụ, các thiết bị đó gọi là các máy biến áp  Máy biến áp dùng để truyền tải và phân phối điện năng.

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

2.2. 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 dùng: dùng trong các lò luyện kim, các thiết bị chỉnh lưu, máy biến áp hàn ...

 Máy biến áp tự ngẫu: dùng để liên lạc trong hệ thống điện, mở máy động cơ không đồng bộ công suất lớn.

 Máy biến áp đo lường: dùng để giảm các điện áp và dòng điện lớn đưa vào các dụng cụ đo tiêu chuẩn hoặc để điều khiển.

 Máy biến áp thí nghiệm: dùng để thí nghiệm điện áp cao.

2.3. Cấu tạo của máy biến áp:

Cấu tạo máy biến áp gồm ba bộ phận chính: lõi thép, dây quấn và vỏ máy.

2.3.1. Lõi thép: ( hình 4.3)

Hình 4.3 Lõi thép (mạch từ) máy biến áp một pha: a) Kiểu trụ; b) Kiểu bọc

Lõi thép máy biến áp dùng làm mạch dẫn từ và làm khung để quấn dây, được chế tạo bằng các vật liệu dẫn từ tốt, thường là thép kỹ thuật điện có bề dày từ 0,3 – 1mm, mặt ngồi các là thép có phủ lớp cách điện rồi ghép lại với nhau thành lõi thép. Lõi thép máy biến áp gồm 2 phần: Phần trụ (T) và phần gông (G). Trụ là phần lõi thép để đặt dây quấn, gông là phần lõi thép nối liền giữa các trụ để tạo thành mạch từ kín.

2.3.2. Dây quấn máy biến áp:

Thường làm bằng dây đồng hoặc nhơm, tiết diện trịn hay chữ nhật, bên ngoài dây dẫn có bọc cách điện. Dây quấn gồm nhiều vịng dây và lồng vào trụ thép. Giữa các vòng dây, giữa các dây quấn và giữa dây quấn với lõi thép đều có cách điện.

28 | P a g e

Máy biến áp thường có hai hoặc nhiều dây quấn. Khi các dây quấn đặt trên cùng một trụ thì dây quấn điện áp thấp đặt sát trụ thép còn dây quấn điện áp cao đặt bên ngoài. Làm như vậy sẽ giảm được vật liệu cách điện.

2.3.3. Vỏ máy biến áp: làm bằng thép gồm 2 bộ phận: thùng và nắp thùng (hình 4.4)

Thùng máy biến áp: trong thùng đặt lõi thép, dây quấn và dầu biến áp. Dầu biến áp làm nhiệm vụ tăng cường cách điện và tản nhiệt. Lúc máy biến áp làm việc, một phần năng lượng tiêu hao thoát ra dưới dạng nhiệt làm dây quấn, lõi thép và các bộ phận khác nóng lên. Nhờ sự đối lưu trong dầu và truyền nhiệt từ các bộ phận bên trong máy biến áp sang dầu và từ dầu qua vách thùng ra môi trường xung quanh. Nắp thùng: dùng để đậy thùng và có các bộ phận quan trọng như:

- Sứ ra của dây quấn cao áp và dây quấn hạ áp. - Bình giản dầu (bình dầu phụ): thùng hình trụ

bằng thép đặt trên nắp và nối với thùng bằng một ống dẫn dầu, dùng để theo dõi mức dầu bên trong.

- Ống bảo hiểm: bằng thép, một đầu nối thùng, một đầu bịt bằng một đĩa thuỷ tinh; khi áp suất trong thùng dầu tăng đột ngột, đĩa thủy tinh vỡ, dầu thốt ra ngồi để máy biến áp khơng bị hư.

Ngồi ra, trên nắp còn đặt bộ phận truyền động của cầu dao đổi nối các đầu điều chỉnh điện áp của dây quấn cao áp.

2.4. Nguyên lý làm việc của máy biến áp:

Xét máy biến áp một pha hai dây quấn: dây quấn sơ cấp (nối với nguồn) có W1 vịng dây, dây quấn thứ cấp (nối với phụ tải) có W2 vịng dây được quấn trên lõi thép. Khi đặt một điện áp xoay chiều u1 vào dây quấn sơ cấp, trong đó sẽ có dịng i1. Trong lõi thép sẽ sinh ra từ thơng  móc vịng với cả hai dây quấn, cảm ứng ra các suất

điện động e1 và e2. Dây quấn thứ cấp có suất điện động sẽ sinh ra dịng điện i2 đưa ra tải với điện áp là u2. Như vậy, năng lượng của dòng điện xoay chiều đã được truyền từ dây quấn sơ cấp sang dây quấn thứ cấp.( hình 4.5)

Giả sử điện áp xoay chiều đặt vào là một hàm số hình sin thì từ thơng do nó sinh

ra cũng là hàm số hình sin:  = m sinwt (4-1)

Hình 4.4 Máy biến áp dầu 3 pha , 250KVA

29 | P a g e

Theo định luật cảm ứng điện từ, suất điện động cảm ứng trong các cuộn dây là:

1 1 1 cos 4, 44 1 2 sin 2 m m d e W W t fW t dt                  (5-2) 2 2 2 cos 4, 44 2 2 sin 2 m m d e W W t fW t dt                  (4-3)  1 1 2 sin 2 e E  t       trong đó: E1 = 4,44fW1m (4-4) 2 2 2 sin 2 e E  t       trong đó: E2 = 4,44fW2m (4-5) Hệ số máy biến áp: 1 1 2 2 E W k E W   (4-6)

Nếu bỏ qua điện trở dây quấn và từ thơng tản ra khơng khí, có thể coi U1  E1 ; U2  E2 ; bỏ qua tổn hao trong máy biến áp ( U1I1  U2I2 ), ta có:

1 1 1 2 2 2 2 1 E W U I k E W U I     (4-7)

Nếu k  1 thì U1  U2 : máy biến áp giảm áp. k  1 thì U1  U2 : máy biến áp tăng áp.

3. Động cơ không đồng bộ 3 pha:

3.1. Công dụng: được dùng:

 Làm động cơ điện (do chế tạo đơn giản, giá thành rẻ, độ tin cậy cao, vận hành đơn giản, hiệu suất cao…).

 Trong công nghiệp (dùng làm nguồn động lực cho máy cán thép vừa và nhỏ, các máy công cụ…).

 Trong hầm mỏ (làm máy tời, quạt gió).

 Trong nơng nghiệp (làm máy bơm, máy gia cơng…).

 Trong đời sống (quạt gió, máy quay đĩa, động cơ tủ lạnh…).

* Nhược điểm: cos thường khơng cao lắm, đặc tính điều chỉnh tốc độ khơng tốt.

3.2. Cấu tạo:

3.2.1. Stator (phần tĩnh): gồm (hình 4.6 & 4.7):

- Lõi thép: có dạng hình trụ, làm bằng lá thép kỹ thuật điện, được dập rãnh bên trong rồi ghép lại tạo thành các rãnh theo hướng trục. Lõi thép được ép vào trong vỏ máy.

30 | P a g e

Hình 4.6 Cấu tạo của động cơ không đồng bộ

1. Lõi thép stator; 2. Dây quấn stator; 3. Nắp máy; 4. Ổ bi; 5. Trục máy; 6. Hộp dầu cực; 7. Lõi thép rotor; 8. Thân máy; 9. Quạt gió làm mát; 10. Hộp quạt

- Dây quấn stator: thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện và đặt vào các rãnh của lõi thép.

- Vỏ máy: gồm có thân máy và nắp máy, cố định lõi sắt và dây quấn, thường bằng gang.

3.2.2. Rotor (phần quay): gồm ( hình 4.8):

- Lõi thép: gồm các lá thép kỹ thuật điện ghép cách điện, mặt ngoài dập rãnh để đặt dây quấn, ở giữa có dập lỗ để lắp trục.

- Dây quấn:

o Rotor lồng sóc: gồm các thanh đồng hoặc thanh nhơm đặt trong mỗi rãnh và bị ngắn mạch bởi 2 vành ngắn mạch ở hai đầu (với động cơ cở nhỏ, dây quấn rotor

Hình 4.7 (a) Lá thép stator, (b)Lõi thép stator, (c) Dây quấn stator

31 | P a g e

được đúc bằng nhôm nguyên khối gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và cách quạt làm mát).

Hình 4.8 Cấu tạo rotor động cơ khơng đồng bộ

a) Dây quấn rotor lồng sóc b) Lõi thép rotor c) Ký hiệu động cơ trên sơ đồ

o Rotor dây quấn: quấn như dây quấn stator và có cùng số cực từ như dây quấn stator, ln đấu hình sao, 3 đầu ra nối vào 3 vành trượt gắn vào trục quay của rotor và cách điện với trục. Ba chổi than cố định và luôn tỳ trên vành trượt này để dẫn điện vào một biến trở cũng nối sao nằm ngoài động cơ để khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ ( hình 4.9).

Hình 4.9 Cấu tạo của động cơ khơng đồng bộ 3 pha rotor dây quấn

- Khe hở : rất nhỏ (0.2  1 mm) : hạn chế dịng từ hóa.

3.3. Ngun lý làm việc:

Khi đặt điện áp xoay chiều 3 pha có tần số f1 vào dây quấn stator, trong dây quấn stator sẽ có hệ thống dịng 3 pha chạy qua, dòng điện này sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ đồng bộ n1. Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn rotor và cảm ứng trong đó các sức điện động và dịng điện. Từ thơng do dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stator tạo thành từ thơng tổng ở khe hở. Dịng điện trong dây quấn rotor tác dụng với từ thơng khe hở này sinh ra mơmen. Tác dụng đó có quan hệ mật thiết với tốc độ quay n của rotor.

- Hệ số trượt : % .100 1 1 n n n s  

4. Động cơ không đồng bộ 1 pha:

4.1. Đại cương:

- Được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng như máy giặt, tủ lạnh, máy bơm, quạt, các dụng cụ cầm tay … (các động cơ công suất nhỏ P < 750W).

32 | P a g e

- Trên stator có hai dây quấn: dây quấn chính và dạy quấn phụ. Rotor thường là lồng sóc. - So với ĐCKĐB 3 pha cùng kích thước, cơng suất của động cơ một pha chỉ bằng

70% công suất của động cơ 3 pha, thực tế nhiều khi chỉ còn 40 đến 50% PĐC3pha.

4.2. Cấu tạo:

- Stator giống động cơ không đồng bộ 3 pha nhưng trên đó đặt dây quấn 1 pha, được cung cấp bởi nguồn điện xoay chiều 1 pha.

- Rotor thường là rotor lồng sóc.

4.3. Nguyên lý làm việc:

Cho dịng điện xoay chiều hình sin chạy vào dây quấn stator thì từ trường stator có phương khơng đổi nhưng có độ lớn thay đổi hình sin theo thời gian gọi là từ trường đập mạch B. Từ trường này có thể phân thành 2 từ trường quay ngược chiều nhau B1 , B2 có tốc độ bằng nhau và biên độ bằng một nữa từ trường đập mạch  động cơ 1 pha tương đương như một động cơ 3 pha mà dây quấn stator gồm hai phần giống nhau mắc nối tiếp và tạo thành các từ trường quay ngược chiều nhau. Tác dụng của các từ trường quay thuận nghịch đó với dịng điện ở rotor do chúng sinh ra tạo thành hai mômen ngược nhau M1 và M2. ( hình 4.10)

Khi khởi động (n = 0, s = 1), M1 = M2 và ngược chiều nhau nên mômen tổng M = 0  động cơ

không thể tự quay được. Nếu ta quay động cơ theo một chiều nào đó (s  1  M  0): động cơ sẽ tiếp

tục quay theo chiều đó.

Vậy để động cơ một pha làm việc được, ta phải tìm cách tạo ra cho động cơ một momen lúc rotor đứng yên (M = Mk  0 khi s = 1). (Hình 4.11)

4.3.1Động cơ dùng dây quấn phụ khởi động:

Loại này được dùng khá phổ biến như máy điều hịa, máy giặt, quạt, bơm ly tâm …

Hình 4.10 Động cơ KĐB 1 pha một dây quấn a) Từ thông và lực điện từ tác động lên rotor

b) Từ trường đập mạch được phân thành hai

từ trường quay thuận và quay ngược

Hình 4.11 Mơmen của ĐCKĐB một pha

33 | P a g e

Động cơ này gồm dây quấn chính Wc (dây quấn làm việc), dây quấn phụ Wp (dây quấn khởi động). Hai cuộn dây này đặt lệch nhau một góc 900 trong khơng gian, rotor lồng sóc. ( hình 4.12)

Ta tạo ra góc lệch pha giữa dịng điện qua cuộn dây chính Ic và dịng qua cuộn dây phụ Ip bằng cách mắc thêm một điện trở nối tiếp với cuộn phụ hoặc dùng dây quấn cở nhỏ hơn cho cuộn phụ, góc lệch này thường nhỏ hơn 300. Dịng trong dây quấn chính và dây quấn phụ sinh ra từ trường quay để tạo momen mở máy.

Khi tốc độ động cơ đạt được (70  75)% tốc độ đồng bộ, cuộn dây phụ được cắt ra nhờ công tắc ly tâm K, động cơ tiếp tục làm việc với cuộn dây chính.

4.3.2Động cơ dùng tụ điện:

Các ĐCKĐB 1 pha có cuộn dây phụ mắc nối tiếp với một tụ điện gọi là động cơ tụ điện. Loại này có cuộn dây phụ bố trí lệch so với cuộn dây chính một góc 900 trong khơng gian. Nếu chọn giá trị thích hợp tụ điện thì góc lệch pha giữa Ic và Ip là gần 900. Tùy theo yêu cầu, ta có các loại động cơ tụ điện sau:

 Động cơ dùng tụ điện khởi động: Khi khởi động, tốc độ động cơ đạt (75 

85)% tốc độ đồng bộ, công tắc K mở ra, động cơ sẽ đạt đến tốc độ ổn định.  Động cơ dùng tụ điện thường trực: ( hình 4.13)

Cuộn dây phụ và tụ điện khởi động được mắc luôn khi động cơ làm việc bình thường. loại này có cơng suất thường nhỏ hơn 500W và có đặc tính cơ tốt.

Ngồi ra, để cải thiện đặc tính làm việc và momen khởi động, ta dùng động cơ 2 tụ điện. Một tụ điện khởi động khá lớn (khoảng 10  15 lần tụ điện thường trực) được ghép song song với tụ điện thường trực. Khi khởi động, tốc độ động cơ đạt đến (75  85)% tốc độ đồng bộ, tụ điện khởi động được cắt ra khỏi cuộn phụ, chỉ còn tụ điện thường trực nối với cuộn dây phụ khi làm việc bình thường.

Hình 4.12 Động cơ dùng dây quấn phụ. a) Sơ đồ kết cấu b) Đồ thị vectơ lúc khởi động. c) Đặc tính M=f(s)

34 | P a g e

4.4.3 Động cơ có vịng ngắn mạch ở cực từ:

Trên stator ta đặt dây quấn một pha và cực từ được chia làm hai phần, phần có vịng ngắn mạch K ơm 1/3 cực từ và rotor lồng sóc. Dịng điện chạy trong dây quấn stator I1 tạo nên từ thông ’ qua phần cực từ khơng vịng ngắn mạch và từ thông ”

qua phần cực từ có vịng ngắn mạch. Từ thơng ” cảm ứng trong vòng ngắn mạch suất điện động En, chậm pha so với ” một góc 900. Vịng ngắn mạch có điện trở và điện kháng nên tạo ra dòng điện In chậm pha so với En một góc n < 900. Dịng điện In tạo ra từ thơng n và ta có từ thơng tổng qua phần cực từ có vịng ngắn mạch:

 = ” + n

Từ thông

này lệch pha so với từ thông qua phần cực từ khơng có vịng ngắn mạch một góc .

Do từ thông ’ và

 lệch nhau trong không gian nên chúng tạo ra

từ trường quay làm quay rotor. Loại động cơ này có momen khởi động khá nhỏ Mmm = (0,2  0,5)Mđm, hiệu suất thấp từ (25  40)%, thường chế tạo với công suất 20  30W, đơi khi cũng có chế tạo cơng suất đến 300W và hay sử dụng làm quạt bàn, quạt trần, máy quay dĩa …

V. AN TOÀN ĐIỆN:

1. Những nguy hiểm dẫn đến tai nạn do dòng điện gây ra:

1.1. Điện giật:

Hình 4.13 Động cơ một pha dùng tụ

a) Tụ điện khởi động. b) Tụ điện thường trực. c) Đồ thị vectơ

Hình 4.14 Động cơ KĐ 1 pha có vịng ngắn mạch ở cực từ a) Cấu tạo. b) Đồ thị vectơ. c) Đặc tính mơmen

35 | P a g e

Do tiếp xúc với phần tử dẫn điện có điện áp: tiếp xúc trực tiếp hay gián tiếp.  Về tiếp xúc trực tiếp: Phân biệt các tình huống sau:

- Sự tiếp xúc với phần tử đang có điện áp làm việc.

- Sự tiếp xúc với các phần tử đã được cắt ra khỏi nguồn điện song vẫn cịn tích điện tích.

- Sự tiếp xúc với các phần tử đã bị cắt ra khỏi nguồn điện làm việc, song phần tử này vẫn còn chịu một điện áp cảm ứng do ảnh hưởng của điện từ hay cảm ứng tĩnh điện do các trang thiết bị điện khác đặt gần.

 Về tiếp xúc gián tiếp: có các tình huống sau:

- Sự tiếp xúc với các phần tử như rào chắn, vỏ hay các thanh thép giữ các thiết bị, hoặc