Giáo trình Máy điện - Trường Cao đẳng nghề Số 20

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:216

Thêm vào BST

Báo xấu

12
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Máy điện cung cấp cho người đọc những kiến thức như: máy biến áp một pha công suất nhỏ; động cơ không đồng bộ ba pha; động cơ không đồng bộ 1 pha. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Máy điện - Trường Cao đẳng nghề Số 20

LỜI NÓI ĐẦU Gi¸o tr×nh m¸y ®iÖn ®-îc biªn so¹n dùa theo modun ®µo t¹o M¸y ®iÖn. Néi dung ®-îc biªn so¹n theo tinh thÇn ng¾n gän, dÔ hiÓu. C¸c kiÕn thøc trong toµn bé gi¸o tr×nh cã quan hÖ l«gÝc chÆt chÏ. Néi dung cña gi¸o tr×nh ®-îc biªn so¹n víi dung l-îng 150 giờ gåm: Bµi më ®Çu Bµi 1: M¸y biÕn ¸p mét pha c«ng suÊt nhá. Bµi 2: §éng c¬ kh«ng ®ång bé 3 pha. Bµi 3: §éng c¬ kh«ng ®ång bé 1 pha. KiÓm tra kÕt thóc Gi¸o tr×nh ®-îc biªn so¹n phôc vô cho viÖc häc tËp vµ gi¶ng d¹y m«n häc M¸y ®iÖn trong c¸c tr-êng Trung cÊp nghÒ vµ Cao ®¼ng nghÒ, theo ch-¬ng tr×nh khung do Tæng côc dËy NghÒ ban hµnh. Nã còng cã thÓ dïng lµm tµi liÖu tham kh¶o bæ Ých cho sinh viªn ®¹i häc, cao ®¼ng, trung cÊp NghÒ, S¬ cÊp NghÒ, c¸n bé gi¶ng d¹y c¸c tr-êng Trung cÊp NghÒ, Cao ®¼ng NghÒ, §¹i häc còng nh- kü thuËt viªn chuyªn nghµnh §iÖn… MÆc dï ®· cè g¾ng nh-ng ch¾c ch¾n kh«ng tr¸nh khái hÕt khiÕm khuyÕt. RÊt mong nhËn ®-îc ý kiÕn ®ãng gãp cña ng-êi sö dông vµ ®ång nghiÖp ®Ó gi¸o tr×nh ®-îc hoµn thiÖn h¬n! T¸c gi¶ -1-
Bµi më ®Çu 1. Kh¸i niÖm vÒ m¸y ®iÖn: Theo quan ®iÓm n¨ng l-îng: M¸y ®iÖn lµ c¸c thiÕt bÞ ®iÖn tõ, nguyªn lý lµm viÖc dùa vµo hiÖn t-îng c¶m øng ®iÖn tõ, dïng ®Ó truyÒn t¶i hoÆc biÕn ®æi n¨ng l-îng ®iÖn tõ (biÕn ®æi ®iÖn n¨ng thµnh c¬ n¨ng, biÕn ®æi c¬ n¨ng thµnh ®iÖn n¨ng hoÆc biÕn ®æi c¸c th«ng sè ®iÖn nh- dßng ®iÖn, ®iÖn ¸p, tÇn sè..). Qu¸ tr×nh truyÒn t¶i hoÆc biÕn ®æi n¨ng l-îng ®iÖn tõ trong c¸c m¸y ®iÖn ®Òu ph¶i th«ng qua tr-êng ®iÖn tõ tån t¹i trong m¸y. Do ®ã bÊt kú mét m¸y ®iÖn nµo còng ®Òu cã hai m¹ch lµ m¹ch ®iÖn vµ m¹ch tõ. C¸c m¸y ®iÖn cã nhiÒu lo¹i vµ cÊu t¹o tuy cã kh¸c nhau song ®øng vÒ mÆt n¨ng l-îng cã thÓ coi m¸y ®iÖn nh- mét thiÕt bÞ ®iÖn cã hai cöa lµ cöa vµo nhËn n¨ng l-îng ®-a vµo vµ cöa ra ®-a n¨ng l-îng tõ m¸y ra ngoµi (H×nh 0-1). P Cöa vµo M¸y Cöa ra P1 M¸y ®iÖn P2 ®iÖn (u, i) hoÆc (M, n) hoÆc (M, n) (u, i) H×nh 0 - 2: Dßng n¨ng l-îng ch¶y qua m¸y ®iÖn NÕu lµ m¸y ph¸t ®iÖn th× n¨ng l-îng ®-a vµo cöa vµo lµ c¬ n¨ng thÓ hiÖn qua m«men M vµ tèc ®é quay n truyÒn lªn trôc quay m¸y ph¸t cßn n¨ng l-îng lÊy ë cöa ra lµ ®iÖn n¨ng thÓ hiÖn qua dßng ®iÖn i vµ ®iÖn ¸p u. NÕu lµ ®éng c¬ th× ng-îc l¹i, n¨ng l-îng ®-a vµo lµ ®iÖn n¨ng (u, i) vµ n¨ng l-îng lÊy ra lµ c¬ n¨ng (M, n). Tr-êng hîp m¸y truyÒn t¶i n¨ng l-îng, vÝ dô nh- m¸y biÕn ¸p th× n¨ng l-îng ë cöa vµo vµ cöa ra ®Òu lµ ®iÖn n¨ng (vµo u1, i1; ra u2, i2). Ta cã thÓ coi nh- cã mét dßng n¨ng l-îng ch¶y liªn tôc qua m¸y ®iÖn (H×nh 0-2), dßng n¨ng l-îng ch¶y vµo m¸y víi c«ng suÊt P1, mét phÇn n¨ng l-îng nµy bÞ mÊt m¸t ë trong m¸y víi c«ng suÊt P vµ n¨ng l-îng ch¶y ra khái m¸y víi c«ng suÊt cßn l¹i lµ P2 = P1 - P. 2. Ph©n lo¹i m¸y ®iÖn C¸c m¸y ®iÖn gi÷ vai trß chñ yÕu trong c¸c thiÕt bÞ ®iÖn, dïng trong mäi lÜnh vùc s¶n xuÊt nh- c«ng nghiÖp, n«ng nghiÖp, l©m nghiÖp, x©y dùng... -2-
M¸y ®iÖn ®-îc ph©n lo¹i theo nhiÒu c¸ch kh¸c nhau nh-: theo c«ng suÊt, theo cÊu t¹o, theo dßng ®iÖn (mét chiÒu, xoay chiÒu), theo nguyªn lý lµm viÖc, theo kiÓu b¶o vÖ, theo chøc n¨ng,...ë ®©y ta ph©n lo¹i dùa theo nguyªn lý biÕn ®æi n¨ng l-îng nh- sau: a. M¸y ®iÖn tÜnh M¸y ®iÖn tÜnh th-êng gÆp lµ m¸y biÕn ¸p, lµm viÖc dùa trªn hiÖn t-îng c¶m øng ®iÖn tõ do sù biÕn thiªn tõ th«ng gi÷a c¸c cuén d©y kh«ng cã sù chuyÓn ®éng t-¬ng ®èi víi nhau. Lo¹i m¸y nµy th-êng dïng ®Ó biÕn ®æi th«ng sè ®iÖn n¨ng. b. M¸y ®iÖn quay (®éng) Nguyªn lý lµm viÖc dùa vµo hiÖn t-îng c¶m øng ®iÖn tõ, lùc ®iÖn tõ do tõ tr-êng vµ dßng ®iÖn cña c¸c cuén d©y cã chuyÓn ®éng t-¬ng ®èi víi nhau g©y ra. Lo¹i m¸y nµy th-êng dïng ®Ó biÕn ®æi d¹ng n¨ng l-îng, vÝ dô biÕn ®æi ®iÖn n¨ng thµnh c¬ n¨ng (®éng c¬ ®iÖn), hoÆc biÕn ®æi c¬ n¨ng thµnh ®iÖn n¨ng (m¸y ph¸t ®iÖn). S¬ ®å ph©n lo¹i m¸y ®iÖn th«ng dông th-êng gÆp nh- trªn H×nh 0-3. M¸y ®iÖn M¸y ®iÖn tÜnh M¸y ®iÖn quay M¸y ®iÖn xoay chiÒu M¸y ®iÖn mét chiÒu M§ kh«ng M§ ®ång bé ®ång bé §éng M¸y §éng M¸y §éng M¸y c¬ ph¸t c¬ ph¸t c¬ ph¸t M¸y ®iÖn mét mét biÕn ®iÖn ®iÖn ®ång chiÒu chiÒu ¸p K§B K§B bé §B H×nh 0-3: S¬ ®å ph©n lo¹i m¸y ®iÖn -3-
3. VËt liÖu dïng trong m¸y ®iÖn C¸c vËt liÖu dïng trong m¸y ®iÖn gåm: vËt liÖu cÊu tróc, vËt liÖu t¸c dông, vËt liÖu c¸ch ®iÖn. a. VËt liÖu cÊu tróc Lµ vËt liÖu dïng chÕ t¹o c¸c chi tiÕt ®Ó nhËn hoÆc truyÒn c¸c t¸c ®éng c¬ häc. VÝ dô: trôc m¸y, æ m¸y, vá m¸y, n¾p m¸y. C¸c vËt liÖu cÊu tróc th-êng dïng trong m¸y ®iÖn lµ gang, thÐp l¸, thÐp rÌn, kim lo¹i mµu vµ c¸c hîp chÊt cña chóng, c¸c chÊt dÎo. b. VËt liÖu t¸c dông Lµ c¸c vËt liÖu dïng chÕ t¹o nh÷ng bé phËn dÉn ®iÖn hoÆc dÉn tõ, t¹o ®iÒu kiÖn cÇn thiÕt cho nh÷ng qu¸ tr×nh ®iÖn tõ x¶y ra trong m¸y ®iÖn. * VËt liÖu dÉn tõ VËt liÖu dÉn tõ th-êng dïng trong m¸y ®iÖn lµ c¸c vËt liÖu s¾t tõ kh¸c nhau nh- l¸ thÐp kü thuËt ®iÖn, gang, thÐp ®óc, l¸ thÐp. ë c¸c phÇn m¹ch tõ dÉn tõ th«ng biÕn thiªn víi tÇn sè 50Hz (nh- lâi thÐp m¸y biÕn ¸p, stato, r«to m¸y ®iÖn kh«ng ®ång bé) th× vËt liÖu s¾t tõ lµm b»ng c¸c l¸ thÐp kü thuËt ®iÖn dµy 0,35 ®Õn 0,5 mm, cã pha thªm 2 ®Õn 5 % Ni ®Ó t¨ng ®iÖn trë trªn ®-êng ®i cña dßng ®iÖn xo¸y. ë c¸c tÇn sè lín h¬n th× c¸c l¸ thÐp kü thuËt ®iÖn chØ dµy 0,1 ®Õn 0,2mm ®Ó gi¶m tæn thÊt dßng ®iÖn xo¸y trong m¹ch tõ. Nh÷ng l¸ thÐp kü thuËt ®iÖn cã thÓ chÕ t¹o b»ng ph-¬ng ph¸p c¸n nãng hoÆc c¸n nguéi. HiÖn nay ®a sè c¸c m¸y biÕn ¸p vµ m¸y ®iÖn quay c«ng suÊt lín ®Òu dïng thÐp c¸n nguéi v× nã cã ®é tõ thÈm cao, tæn thÊt s¾t tõ nhá h¬n lo¹i thÐp c¸n nãng. ë c¸c phÇn m¹ch tõ dÉn tõ th«ng kh«ng ®æi (r«to m¸y ®iÖn ®ång bé, cùc tõ m¸y ®iÖn mét chiÒu) th× vËt liÖu s¾t tõ lµ thÐp ®óc, thÐp rÌn hoÆc thÐp l¸. * VËt liÖu dÉn ®iÖn VËt liÖu dÉn ®iÖn th-êng dïng tèt nhÊt trong c¸c m¸y ®iÖn lµ ®ång v× nã kh«ng ®¾t l¾m mµ ®iÖn trë suÊt l¹i nhá. Nh«m còng ®-îc dïng nhiÒu, nh«m cã ®iÖn trë suÊt lín h¬n ®ång nh-ng l¹i nhÑ. §«i khi ng-êi ta cßn dïng d©y dÉn lµ nh÷ng hîp kim nh- ®ång thau (hçn hîp cña ®ång, thiÕc, kÏm), ®ång ®á pha phètpho. c. VËt liÖu c¸ch ®iÖn VËt liÖu c¸ch ®iÖn dïng ®Ó c¸ch ®iÖn gi÷a c¸c phÇn dÉn ®iÖn vµ kh«ng dÉn ®iÖn hoÆc gi÷a c¸c phÇn dÉn ®iÖn víi nhau. -4-
VËt liÖu c¸ch ®iÖn lµ vËt liÖu quan träng trong m¸y ®iÖn, nã quyÕt ®Þnh phÇn lín sù lµm viÖc æn ®Þnh cña m¸y. Yªu cÇu vËt liÖu c¸ch ®iÖn ph¶i cã c-êng ®é c¸ch ®iÖn cao, chÞu nhiÖt tèt, t¶n nhiÖt tèt, chèng Èm vµ bÒn vÒ c¬ häc. §é bÒn v÷ng vÒ nhiÖt cña chÊt c¸ch ®iÖn bäc d©y dÉn quyÕt ®Þnh nhiÖt ®é cho phÐp cña d©y dÉn vµ do ®ã quyÕt ®Þnh t¶i cña nã. NÕu tÝnh n¨ng cña vËt liÖu c¸ch ®iÖn cao th× líp c¸ch ®iÖn máng vµ kÝch th-íc m¸y gi¶m. ChÊt c¸ch ®iÖn chñ yÕu ë thÓ r¾n, gåm 4 nhãm: chÊt h÷u c¬ thiªn nhiªn nh- giÊy, v¶i lôa; chÊt v« c¬ nh- ami¨ng, mica, sîi thuû tinh; c¸c chÊt tæng hîp; c¸c lo¹i men, s¬n c¸ch ®iÖn. ChÊt c¸ch ®iÖn tèt nhÊt lµ mica, song t-¬ng ®èi ®¾t nªn chØ dïng trong c¸c m¸y ®iÖn cã ®iÖn ¸p cao (tõ 3000V trë lªn). Th«ng th-êng dïng c¸c vËt liÖu nh- giÊy, v¶i, sîi… Chóng cã ®é bÒn c¬ tèt, mÒm, rÎ tiÒn nh-ng dÉn nhiÖt kÐm, hót Èm, c¸ch ®iÖn kÐm v× vËy chóng ph¶i ®-îc sÊy tÈm ®Ó c¶i thiÖn tÝnh n¨ng cña vËt liÖu c¸ch ®iÖn. Ngoµi ra cßn cã chÊt c¸ch ®iÖn ë thÓ khÝ (kh«ng khÝ, hy®r«) hoÆc thÓ láng (dÇu m¸y biÕn ¸p). C¨n cø vµo ®é bÒn nhiÖt, vËt liÖu c¸ch ®iÖn ®-îc chia thµnh c¸c cÊp nh- b¶ng 0- 1: KÝ hiÖu cÊp c¸ch Y A E B F H C ®iÖn NhiÖt ®é lµm 90 105 120 130 155 180 >180 viÖc cho phÐp 4. C¸c chÕ ®é lµm viÖc vµ nh÷ng ®¹i l-îng ®Þnh møc cña m¸y ®iÖn Mçi m¸y ®iÖn s¶n xuÊt ra ®Òu ®-îc thiÕt kÕ víi mét c«ng suÊt vµ ®iÖn ¸p nhÊt ®Þnh, tuú theo tiÕt diÖn d©y dÉn vµ tÝnh chÊt c¸ch ®iÖn ®-îc sö dông trong m¸y. NÕu ta cho m¸y ®iÖn lµm viÖc víi ®iÖn ¸p qu¸ quy ®Þnh th× chÊt c¸ch ®iÖn sÏ bÞ chäc thñng; cßn nÕu cho lµm viÖc víi c«ng suÊt lín qu¸ quy ®Þnh th× m¸y sÏ ph¸t nãng qu¸ møc, chÊt c¸ch ®iÖn bÞ giµ cçi hoÆc cã thÓ bÞ ch¸y. V× vËy trªn nh·n c¸c m¸y cã ghi c¸c trÞ sè ®Þnh møc do x-ëng s¶n xuÊt quy ®Þnh. C¸c trÞ sè ®Þnh møc quan träng ®ã lµ ®iÖn ¸p d©y ®Þnh møc U®m vµ c«ng suÊt ®Þnh møc P®m. -5-
Khi m¸y ®iÖn lµm viÖc víi ®óng c¸c trÞ sè ®Þnh møc ghi trªn nh·n m¸y gäi lµ chÕ ®é lµm viÖc ®Þnh møc cña m¸y. Ngoµi ra tuú theo yªu cÇu s¶n xuÊt mµ m¸y ®iÖn cßn ®-îc s¶n xuÊt ®Ó lµm viÖc ë chÕ ®é ®Þnh møc l©u dµi vµ liªn tôc; hoÆc chÕ ®é ®Þnh møc ng¾n h¹n hoÆc ng¾n h¹n lÆp l¹i. 5. Ph-¬ng ph¸p nghiªn cøu m¸y ®iÖn a. C¸c ®Þnh luËt th-êng dïng ®Ó nghiªn cøu m¸y ®iÖn * §Þnh luËt c¶m øng ®iÖn tõ.  Tr-êng hîp tõ th«ng biÕn thiªn xuyªn qua vßng d©y Khi tõ th«ng xuyªn qua vßng d©y biÕn thiªn, trong vßng d©y sÏ c¶m øng søc ®iÖn ®éng, chiÒu søc ®iÖn ®éng ph¶i cã chiÒu sao cho dßng ®iÖn do nã sinh ra t¹o ra tõ th«ng chèng l¹i sù biÕn thiªn cña tõ th«ng ®· sinh ra nã. Néi dung cña ®Þnh luËt cã thÓ thu gän trong c«ng thøc M¨cxoen (Maxwell). d e (0-1) dt Theo c«ng thøc trªn chiÒu søc ®iÖn ®éng c¶m øng trong vßng d©y cã thÓ x¸c ®Þnh theo quy t¾c vÆn nót chai nh- sau: Quay c¸i vÆn nót chai tiÕn theo chiÒu cña tõ th«ng, chiÒu quay cña c¸i vÆn nót chai lµ chiÒu d-¬ng cña søc ®iÖn ®éng c¶m øng (H×nh 0-4). DÊu  trªn h×nh vÏ chØ chiÒu tõ th«ng ®i tõ ngoµi vµo trang giÊy. e  H×nh 0-4: X¸c ®Þnh søc ®iÖn ®éng c¶m øng theo c«ng thøc M¾c xoen Khi tõ th«ng biÕn thiªn xuyªn qua cuén d©y cã W vßng d©y, trong cuén d©y cã søc ®iÖn ®éng c¶m øng: d d e  (0-2) dt dt Trong ®ã: =W. gäi lµ tõ th«ng mãc vßng cña cuén d©y §¬n vÞ cña tõ th«ng ®o b»ng Wb (vebe), søc ®iÖn ®éng ®o b»ng V.  Tr-êng hîp thanh dÉn chuyÓn ®éng trong tõ tr-êng -6-
Khi thanh dÉn cã chiÒu dµi l(m) chuyÓn ®éng vu«ng gãc trong tõ tr-êng ®Òu cã c¶m øng tõ B(T) víi vËn tèc v (m/s), trong thanh dÉn cã søc ®iÖn ®éng c¶m øng cã trÞ sè: E = B.l.v (V) (0-3) ChiÒu søc ®iÖn ®éng c¶m øng x¸c ®Þnh theo quy t¾c bµn tay ph¶i (H×nh 0-5): §Ó cho ®-êng søc tõ (hay vÐc t¬ c¶m øng tõ B) xuyªn vµo lßng bµn tay ph¶i, ngãn tay c¸i do·i ra theo chiÒu chuyÓn ®éng cña thanh dÉn th× chiÒu tõ cæ tay ®Õn bèn ngãn tay cßn l¹i sÏ lµ chiÒu cña søc ®iÖn ®éng c¶m øng. H×nh 0- 5: X¸c ®Þnh chiÒu søc ®iÖn ®éng H×nh 0-6 : X¸c ®Þnh chiÒu lùc ®iÖn c¶m øng theo quy t¾c bµn tay ph¶i tõ theo quy t¾c bµn tay tr¸i *§Þnh luËt lùc ®iÖn tõ. Khi thanh dÉn mang dßng ®iÖn ®Æt trong tõ tr-êng ®Òu cã c-êng ®é tõ c¶m B, thanh dÉn sÏ chÞu mét lùc t¸c dông: F = B. l. i. sin (0-4) Trong ®ã: l (m) lµ chiÒu dµi thanh dÉn; B (T) lµ tõ c¶m, i (A) lµ dßng ®iÖn trong thanh d©y dÉn;  lµ gãc t¹o bëi chiÒu cña tõ tr-êng vµ dßng ®iÖn. ChiÒu cña lùc ®iÖn tõ t¸c dông lªn thanh dÉn x¸c ®Þnh theo quy t¾c bµn tay tr¸i (H×nh 0-6): Ngöa bµn tay tr¸i cho ®-êng søc tõ (hoÆc vÐc t¬ tõ c¶m B) xuyªn qua lßng bµn tay, chiÒu tõ cæ tay ®Õn bèn ngãn tay lµ chiÒu dßng ®iÖn th× ngãn tay c¸i do·i ra chØ chiÒu lùc ®iÖn tõ. * §Þnh luËt toµn dßng ®iÖn. TÝch ph©n vßng cña c-êng ®é tõ tr-êng theo mét ®-êng khÐp kÝn bÊt kú quanh mét sè m¹ch ®iÖn b»ng tæng dßng ®iÖn trong c¸c m¹ch. -7-
 Hdl   i (0-5) b. C¸c b-íc nghiªn cøu m¸y ®iÖn: B-íc 1: M« t¶ hiÖn t-îng vËt lý x¶y ra trong m¸y ®iÖn. B-íc 2: Dùa vµo c¸c ®Þnh luËt vËt lý, viÕt c¸c ph-¬ng tr×nh to¸n häc m« t¶ sù lµm viÖc cña m¸y ®iÖn. §ã lµ m« hÝnh to¸n häc cña m¸y ®iÖn. B-íc 3: Tõ m« h×nh to¸n häc thiÕt lËp m¹ch, ®ã chÝnh lµ s¬ ®å thay thÕ cña m¸y ®iÖn. B-íc 4: Tõ m« hÝnh to¸n häc vµ m« h×nh m¹ch tÝnh to¸n c¸c ®Æc tÝnh vµ nghiªn cøu m¸y ®iÖn, khai th¸c sö dông theo yªu cÇu cô thÓ. 6. §iÒu kiÖn thùc hiÖn modul: TT Loại trang thiết bị Số lượng 1 Bàn gia công nguội 1 2 Máy khoan tay một pha 3 3 Máy quấn dây bằng tay 15 cái 4 Đồng hồ vạn năng 3 cái 5 Đồng hồ Mê gôm kế 3 cái 6 Mỏ hàn ngắn mạch 15 cái 7 Búa con 5 cái 8 Kéo con cắt giấy 10 cái 9 Kìm điện 15 cái 10 Tuốc nơ vít 2 cạnh 15 cái 11 Tuốc nơ vít 4 cạnh 15 cái 12 Dao con 15 cái 13 Bộ đồ nghề cơ khí 3 bộ TT Loại nguyên vật liệu Số lượng 1 Gỗ làm khuôn, má ốp dầy 5mm 2m2 2 Lõi + khuôn máy biến áp 20W 15 cái 3 Lõi động cơ 3 pha 370W- 380V 15 cái 4 Lõi quạt 16 rãnh- 50W- 220V (kèm Rôto ) 15 cái 5 Lõi quạt ngắn mạch 32 W 15 cái 6 Tụ điện xoay chiều 1,5F- 220V 15 cái -8-
7 Gíây cách điện 0,2 mm 5m2 8 Ghen cách điện 1mm 15 sợi 9 Ghen cách điện 3mm 15 sợi 10 Thiếc hàn 1kg 11 Nhựa thông 0,5 kg 12 Dây êmay  0,18 3kg 13 Dây êmay  0,40 1,5kg TT Các nguồn lực khác Số lượng 1 Xưởng thực tập điện 1 xưởng 2 Nguồn điện 3 pha - 4 dây 7. Tµi liÖu tham kh¶o: - Trần Khánh Dư. Máy điện tập 1. NXB Khoa học kỹ thuật. 1997. - Trần Khánh Dư. Máy điện tập 2. NXB Khoa học kỹ thuật. 1997. -9-
BÀI 1: MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA CÔNG SUẤT NHỎ 1. Khái niệm chung về máy biến áp 1.1 Khái niệm chung Để biến đổi điện áp của dòng điện xoay chiều từ điện áp cao xuống điện áp thấp, hoặc ngược lại từ điện áp thấp lên điện áp cao, người ta dùng MBA. Ngày nay do việc sử dụng điện năng phát triển rất rộng rãi nên có những loại MBA khác nhau: MBA 1 pha, 2 pha, 3 pha,...nhưng chúng dựa trên 1 nguyên lý, đó là nguyên lý cảm ứng điện từ. 1.2. Định nghĩa: Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh, nguyên lý làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều từ điện áp này thành hệ thống dòng điện xoay chiều điện áp khác nhưng có tần số không đổi. + Hệ thống đầu vào của MBA (trước lúc biến đổi): U1; I1; f + Hệ thống đầu ra của MBA (trước lúc biến đổi): U2; I2; f + Đầu vào của MBA nối với nguồn điện được gọi là cuộn sơ cấp (các đại lượng, thông số sơ cấp trong kí hiệu có ghi chỉ số 1: W1,U1, I1,..) + Đầu ra nối với tải gọi là cuộn thứ cấp (các đại lượng và thông số thứ cấp trong ký hiệu ghi số 2: W2, U2, I2,...) 1.3. Phân loại máy biến áp. Có nhiều cách phân loại máy biến áp: - Theo loại dòng điện ta chia ra máy biến áp là MBA một pha, ba pha hay nhiều pha. - Máy biến áp có ít nhất là hai cuộn dây: + Dây quấn nối với nguồn gọi là dây quấn sơ cấp. + Dây quấn nối với tải gọi là dây quấn thứ cấp. + Dây quấn nối với nguồn cao áp gọi là dây quấn cao áp. + Dây quấn nối với nguồn hạ áp gọi là dây quấn hạ áp. - Máy biến áp có điện áp sơ cấp lớn hơn điện áp thứ cấp gọi là máy biến áp giảm áp. - 10 -
- Máy biến áp có điện áp thứ cấp lớn hơn điện áp sơ cấp gọi là máy biến áp tăng áp. - Máy biến áp có ba cuộn dây (1 cuộn sơ, 2 cuộn thứ) - Máy biến áp tự ngẫu (ngoài liên hệ về từ còn liên hệ về điện) - Máy biến áp đặc biệt như máy biến áp hàn, máy biến áp đo lường, máy biến áp điều khiển. 2. Cấu tạo của máy biến áp một pha Máy biến áp một pha có hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn. Hình 1.2. Cấu tạo của máy biến áp một pha 2.1. Lõi thép máy biến áp (Mạch từ) Lõi thép máy biến áp dùng để dẫn từ thông chính của máy, được chế tạo từ những vật liệu dẫn từ tốt. Để giảm dòng điện xoáy trong lõi thép, người ta dùng thép lá kỹ thuật điện dày 0,35mm đến 0,5mm, hai mặt có sơn cách điện) ghép lại với nhau tạo lõi thép, lõi thép gồm hai bộ phận chính là trụ và gông. Hình 1.3. Cấu tạo lõi thép - 11 -
+ Trụ là nơi để đặt dây quấn. + Gông là phần khép kín mạch từ giữa các trụ. + Giữa các trụ và gông tạo thành mạch từ khép kín. Theo kết cấu lõi thép ta chia ra máy biến áp kiểu trụ và máy biến áp kiểu bọc (kiểu chữ U và chữ E). + Máy biến áp kiểu trụ là phần dây quấn bao quanh trụ thép (thường dùng trong máy biến áp một pha và ba pha công suất nhỏ và trung bình) Kiểu trụ (hoặc kiểu cột) có dạng chữ U, I: Thường do nhiều lá sắt chữ I ghép lại. Dùng làm mạch từ cho máy biến áp có công suất trung bình trở lên. Là loại có dây quấn được bọc quanh trụ và lõi thép trong đó phần trụ là để cuốn dây. Hình 1.4. Máy biến áp kiểu trụ (1.Lõi sắt ; 2. Dây quấn) + Máy biến áp kiểu bọc là phần mạch từ phân nhánh ra hai bên và bao lấy dây quấn (thường là máy biến áp nhỏ và đặc biệt). Nhờ thế từ tản giảm nhỏ đi. Dạng mạch từ này được dùng trong máy biến áp một pha công suất nhỏ như máy biến áp gia dụng, máy biến áp cấp điện trong tăng âm, thu thanh... Hình 1.5. Máy biến áp kiểu bọc Ngoài ra còn có các phụ kiện khác như vỏ máy, vật liệu cách điện...vv. - 12 -
2.2. Dây quấn máy biến áp - Dây quấn máy biến áp thường được làm bằng dây đồng là loại dây mềm, có độ bền cơ học cao, khó đứt, dẫn điện tốt, có tiết diện tròn hoặc chữ nhật, bên ngoài dây dẫn có bọc cách điện. - Dây quấn gồm nhiều vòng dây và lồng vào trụ lõi thép. Giữa các vòng dây, giữa các dây quấn có cách điện với nhau và các dây quấn cách điện với lõi thép Máy biến áp thường có các loại dây quấn sau: + Dây quấn nối với nguồn gọi là dây quấn sơ cấp. + Dây quấn nối với tải gọi là dây quấn thứ cấp. + Dây quấn nối với nguồn cao áp gọi là dây quấn cao áp. + Dây quấn nối với nguồn hạ áp gọi là dây quấn hạ áp. Khi các dây quấn đặt trên cùng một trụ, thì dây quấn thấp áp được đặt sát trụ thép, dây quấn cao áp đặt lồng ra ngoài. Làm như vậy sẽ giảm được vật liệu cách điện và khoảng cách cách điện với phần tiếp đất (lõi sắt) nên giảm được kích thước máy biến áp. Ngoài hai bộ phận chính trên còn có các bộ phận khác như: Vỏ máy thường làm bằng kim loại để bảo vệ, cố định máy và làm giá lắp đồng hồ đo, bộ phận chuyển mạch... Vật liệu cách điện của máy biến áp làm nhiệm vụ cách điện giữa các vòng dây với nhau, giữa dây quấn và lõi thép, giữa phần dẫn điện và phần không dẫn điện (tuổi thọ máy biến áp phụ thuộc nhiều vào vật liệu cách điện. Nếu cách điện không tốt sẽ gây sự cố cho máy biến áp, nhưng nếu cách điện quá mức sẽ tăng kích thước và tăng giá thành). Vật liệu cách điện trong máy biến áp công suất nhỏ gồm: giấy cách điện, vải thuỷ tinh, sơn cách điện. Với máy lớn dùng dầu cách điện.... - 13 -
3. Nguyên lý làm việc của máy biến áp một pha 3.1: Nguyên lý làm việc Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý máy biến áp ; (1) Cuộn sơ cấp (w1vòng) ; (2) Cuộn thứ cấp (w2 vòng); (3) Lõi thép ; (4) Phụ tải Xét sơ đồ nguyên lý của máy biến áp 1 pha 2 dây quấn như hình vẽ: Nguyên lý làm việc của máy biến áp làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ: - Khi ta nối dây quấn sơ cấp vào nguồn điện xoay chiều điện áp u 1 sẽ có dòng điện sơ cấp i1 chạy trong dây quấn sơ cấp w1. - Dòng điện i1 sinh ra từ thông biến thiên trong lõi thép do mạch từ khép kín nên từ thông này móc vòng từ cuộn sơ cấp sang cuộn thứ cấp. - Theo định luật cảm ứng điện từ thì sự biến thiên của từ thông làm cảm ứng vào dây quấn sơ cấp và thứ cấp suất điện động là: e1= -w1 d (1.1) dt e2= -w2 d (1.2) dt - Dây quấn thứ cấp nối với tải có tổng trở zt. Dưới tác động của suất điện động e2 cảm ứng tỉ lệ với số vòng dây w2 sẽ sinh ra dòng điện i2 đưa ra tải với điện áp u2. Lúc đó từ thông do cả hai dòng điện sơ cấp i1 và thứ cấp i2 sinh ra. Như vậy điện áp xoay chiều đã được truyền từ cuộn sơ cấp sang cuộn thứ cấp. - Giả sử điện áp xoay chiều đặt vào là một hàm số hình sin nên từ thông cũng biến thiên theo hình sin:  = maxsint; =2f. Thì suất điện động trong các dây quấn sơ cấp (1) và dây quấn thứ cấp (2) là: - 14 -
e1 = - w1 d max sin t = - w1maxcost = 2fw1maxsin(t-/2) dt = 4,44fw1max 2 sin(t-/2) = 2 E1sin(t-/2) (1.3) e2 = -w2 d max sin t = - w2maxcost = 2fw2maxsin(t-/2) dt = 4,44fw2max 2 sin(t-/2) = 2 E2sin(t-/2) (1.4) Trong đó: E1 = 2 fw1max=4.44fw1max E2 = 2 fw2max=4.44fw2max (là giá trị hiệu dụng của các suất điện động dây quấn (1.1) và (1.2)). Nhận xét: Từ (1.3) và (1.4) ta thấy sức điện động thứ cấp cùng tần số với sơ cấp nhưng trị số hiệu dụng khác nhau. Tỉ lệ với số vòng dây. 3.2. Tỉ số máy biến áp Nếu chia E1 cho E2 ta có: E1 w1 U1 k   (1.5) E2 w2 U 2 Nếu bỏ qua điện áp rơi trên dây quấn thì có thể coi U1  E1; U2  E2 k: là hệ số biến đổi của máy biến áp, nghĩa là tỉ số điện áp sơ cấp và điện áp thứ cấp đúng bằng tỉ lệ số vòng dây sơ cấp và thứ cấp. Nếu bỏ qua tổn hao trong máy biến áp, có thể coi gần đúng, quan hệ giữa các lượng sơ cấp và thứ cấp như sau: U1 I 2 U2 I2 ≈ U1 I1 hoặc ≈ (1-6) U 2 I1 Trường hợp: k >1 tức U1 > U2 hay w1 > w2 máy biến áp giảm áp k
định cho dây quấn thứ cấp, khi dây quấn thứ cấp hở mạch và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức. Người ta quy ước, với máy biến áp một pha điện áp định mức là điện áp pha, với máy biến áp 3 pha là điện áp dây. Đơn vị điện áp ghi trên máy thường là V hoặc KV. - Dòng điện định mức: Dòng điện định mức là dòng điện đã quy định cho mỗi dây quấn của máy biến áp, ứng với công suất định mức và điện áp định mức. Đối với máy biến áp một pha, dòng điện định mức là dòng điện pha. Đối với máy biến áp 3 pha, dòng điện định mức là dòng điện dây. Đơn vị dòng điện ghi trên máy thường là A. Dòng điện sơ cấp định mức ký hiệu I 1đm, dòng điện thứ cấp định mức ký hiệu I2đm. - Dòng điện dây định mức sơ cấp I1đm ứng với công suất định mức [A, KA]. - Số vòng dây sơ cấp định mức W1, số vòng dây cuộn thứ cấp W2 - Dòng điện dây định mức thứ cấp I2đm ứng với công suất định mức [A, KA] - Công suất định mức: Công suất định mức của máy biến áp là công suất biểu kiến định mức. Công suất định mức ký hiệu là S đm [VA, kVA]. Đối với máy biến áp một pha công suất định mức là: Sđm = U2đm.I2đm = U1đm.I1đm - Tần số định mức fđm tính bằng Hz (f = 50 Hz). 4. Tính toán, thiết kế, quấn lại máy biến áp một pha 4.1. Tính toán, thiết kế quấn máy biến áp theo số liệu có sẵn. Là dạng bài toán mà người thợ đã có trước một lõi thép nào đó. Từ lõi thép có sẵn này kết hợp với các yêu cầu cần có khác (thông thường là điện áp U 2 và U1) sẽ tiến hành xác định các thông số còn lại sao cho phù hợp với lõi thép đã có. Có thể tóm tắt bài toán như sau: Biết trước: Tiết diện lõi thép At; U2; U1. Cần tìm SBA I2, I1; n1; n2; d1; d2; ... Các bước tiến hành như sau: Bước 1: Từ tiết diện lõi thép đã có tiến hành xác định dung lượng SBA theo biểu thức: 2  A .B  S2 = SBA =  t m  1,423.k   [VA] (1.7)  hd  khd: là hệ số hình dáng lõi thép. - 16 -
Khi lá thép dạng EI (hình 1.11) ta có K = 1  1,2 Khi lá thép dạng UI (hình 1.12) ta có K = 0.75  0,85 Hình 1.11. Lõi thép dạng E, I Hình 1.12. Lõi thép dạng U, I Bm: là mật độ từ thông sử dụng trong lõi thép. Tùy theo hàm lượng silic nhiều hay ít mà chọn Bm cao hay thấp. Cũng tùy theo loại lá thép được chế tạo theo dạng dẫn từ định hướng hoặc đẳng hướng mà chọn Bm cao hay thấp. Với lá thép kỹ thuật điện có bề dày tiêu chuẩn 0,35mm đến 0,5mm; lá thép thuộc dạng fôle cán nóng và hàm lượng silic từ (2-4)% (Hàm lượng silic thấp, từ cảm B chọn thấp). Lá thép kỹ thuật điện thuộc dạng dẫn từ đẳng hướng Với lá thép kỹ thuật điện có bề dày tiêu chuẩn 0,35mm đến 0,5mm; lá thép thuộc dạng fôle lạnh và hàm lượng silic từ 4%. Đây là dạng lá thép dẫn từ định hướng (với dạng là thép này mạch từ được cấu tạo theo hình dạng đặc biệt: Hình xuyến, không thuộc dạng E, I) Đối với lá thép dẫn từ đẳng hướng: Bm = (0,8  1,2)T Đối với là thép có dẫn từ định hướng: Bm = (1,2  1,6)T. Bước 2: Xác định dòng điện thứ cấp I2: S2 I2 = [A] (1.8) U2 Bước 3: Vẽ lại sơ đồ hoàn chỉnh MBA: Bước 4: Tính số vòng dây quấn cho mỗi vôn: 1 nv  (1.9) 4,44. f .Bm . At Trong đó: Tiết diện lõi thép được tính bằng m2 Nếu tiết diện lõi thép được tính bằng cm2 và f = 50Hz thì biểu thức trên trở thành. - 17 -
45 nV = (1.10) Bm . At Bước 5: Tính số vòng quấn cho cuộn sơ cấp và thứ cấp: - Số vòng quấn cho cuộn sơ cấp: n1 = nV . U1 (1.11) - Số vòng quấn cho cuộn thứ cấp: Khi máy biến áp mang tải thì điện áp trên tải sẽ sụt giảm một lượng so với lúc không tải. Để đảm bảo đủ điện áp cung cấp cho khi máy vận hành thì phải trừ hao lượng sụt áp này khi tính toán từ (5  15)%. n2 = nV . (U2 + (5  15)%) (1.12) Bước 6: Tính dòng điện phía sơ cấp: S2 I1 = (1.13) U1. % Tra bảng chọn hiệu suất của MBA và tính ra dòng điện phía sơ cấp S2 ( VA ) 3 10 25 50 100 1000  (% ) 60 70 80 85 90 > 90 Bước 7: Tính đường kính dây quấn: Chọn mật độ dòng điện thích hợp và tính đường kính dây quấn Phía sơ cấp: I1 d1 = 1,13 (1.14) J Phía thứ cấp: I2 d2 = 1,13 (1.15) J Với J là mật độ dòng điện (A/mm2); Chọn tùy vào chế độ làm việc của MBA MBA làm việc liên tục J = (2,5  5) A/mm2. MBA làm việc ít J có thể chọn đến 7A/mm2. Bước 8: Tính hệ số lắp đầy (klđ) Hệ số lắp đầy cho biết bề dày cuộn dây chiếm chỗ bao nhiêu trong cửa sổ của lõi thép BD Klđ = = 0,6  0,7; Tối đa là 0,8 (1.16) c Trong đó: BD: Bề dày cuộn dây - 18 -
a c: Bề rộng cửa sổ c = 2 Tính bề dày cuộn dây - Cuộn sơ cấp có bề dày BD1 được tính từ số vòng quấn n1. - Cuộn thứ cấp có bề dày BD2 được tính từ số vòng quấn n2. - Bề dày cả cuộn dây BD = BD1 + BD2 + (1  2)mm. + Số vòng dây quấn cho 1 lớp: hK nvl  (1.17) d/ Trong đó: hK: Chiều dài h của khuôn quấn d/ : Đường kính dây kể cả cách điện + Số lớp dây quấn: n nL  (1.18) nVL Trong đó: n: Số vòng dây của từng cuộn (sơ hoặc thứ cấp) nVL: Số vòng dây quấn cho 1 lớp + Bề dày cuộn dây sơ hoặc thứ cấp BD1(2) = nL1(2) . d/i Bước 9: Tính khối lượng dây quấn (W) W = W1 + W2 (1.19) Với: W1; W2 là khối lượng của cuộn sơ cấp và thứ cấp. Khối lượng của từng cuộn dây được tính theo biểu thức.  .d 2 W1(2) = (1,2  1,3). 8,9. LTB. n. .10-4 (1.20) 4 Trong đó: LTB: là chiều dài trung bình của một vòng dây (dm). n: là số vòng quấn của cuộn sơ cấp hoặc thứ cấp. d: là đường kính dây quấn ở cuộn sơ cấp hoặc thứ cấp (mm2 ) W: là khối lượng ( Kg). 4.2. Tính toán, thiết kế quấn mới máy biến áp. 4.2.1. Phương pháp tính toán máy biến áp cảm ứng. - 19 -
Máy biến áp cảm ứng hay còn gọi là máy biến áp hai dây quấn, là loại máy biến áp có dây quấn sơ cấp và thứ cấp cách ly nhau. Ký hiệu máy biến áp hai dây quấn như hình 1.13. Trình tự tính toán dây quấn và chọn kích thước lõi thép được tiến hành theo các bước sau: Hình 1.13. Sơ đồ ký hiệu máy biến áp hai dây quấn Bước 1: Xác định các số liệu yêu cầu: - Điện áp định mức phía sơ cấp U1 [V]. - Điện áp định mức phía thứ cấp U2 [V]. - Dòng điện định mức phía thứ cấp I2 [V]. Trường hợp nếu không biết rõ giá trị I2, ta cần xác định được công suất biểu kiến phía thứ cấp S2 : S2 = U2 . I2 [VA] (1.21) - Tần số f nguồn điện. - Chế độ làm việc ngắn hạn hay dài hạn. Bước 2: Xác định tiết diện tính toán cần dùng cho lõi sắt (At ): S2 At  1,423 .k . (1.22) Bm Trong đó: At: là tiết diện tính toán của lõi thép [cm2] S2: là công suất biểu kiến cung cấp tại phía thứ cấp biến áp [VA] k: là hệ số hình dáng lõi thép. Khi lá thép dạng E, I ta có k = 1  1,2 Khi lá thép dạng U-I ta có k = 0.75  0,85 Bm: là mật độ từ thông sử dụng trong lõi thép Đối với lá thép dẫn từ đẳng hướng: Bm = (0,8  1,2)T - 20 -