Giáo trình Máy điện 1

....................................................2 2. Phân loại máy điện ............................................................................................2 3. Vật liệu dùng trong máy điện............................................................................3 4. Các chế độ làm việc và những đại lượng định mức của máy điện ....................5 5. Phương pháp nghiên cứu máy điện ...................................................................5 Chương 1: Máy biến áp ..............................................................................................8 1.1. Đại cương về máy biến áp..................................................................................8 1.1.1. Vai trò của máy biến áp ..............................................................................8 1.1.2. Kết cấu của máy biến áp .............................................................................9 1.1.3. Nguyên lý làm việc của máy biến áp ........................................................12 1.1.4. Định nghĩa máy biến áp ............................................................................14 1.1.5. Các đại lượng định mức.............................................................................14 1.1.6. Phân loại máy biến áp ...............................................................................15 1.2. Tổ nối dây và mạch từ của máy biến áp...........................................................16 1.2.1. Tổ nối dây của máy biến áp ......................................................................16 1.2.2. Mạch từ của máy biến áp ..........................................................................21 1.3. Quan hệ điện từ trong máy biến áp ..................................................................27 1.3.1. Các phương trình cơ bản của máy biến áp ................................................27 1.3.2. Mạch điện thay thế máy biến áp ..............................................................29 1.3.3. Đồ thị véc tơ của máy biến áp ..................................................................31 1.3.4. Xác định các tham số của máy biến áp ....................................................33 1.4. Máy biến áp làm việc với tải đối xứng.............................................................41 1.4.1. Giản đồ năng lượng và hiệu suất của máy biến áp ....................................41 1.4.2. Độ thay đổi điện áp của máy biến áp và cách điều chỉnh. ........................43 1.4.3. Máy biến áp làm việc song song ...............................................................49 1.5. Máy biến áp làm việc với tải không đối xứng..................................................56 1.5.1. Khái quát chung ........................................................................................56 1.5.2. Mạch điện thay thế và tổng trở của MBA đối với các thành phần đối xứng ......57 1.5.2. Tải không đối xứng của máy biến áp ........................................................59 1.5.3. Ngắn mạch không đối xứng của máy biến áp ...........................................62 1.6. Các loại máy biến áp đặc biệt ..........................................................................62 1.6.1. Máy biến áp ba dây quấn ..........................................................................62 1.6.2. Máy biến áp tự ngẫu..................................................................................65 1.6.3. Máy biến áp đo lường................................................................................66 1.6.4. Máy biến áp hàn hồ quang ........................................................................68 Chương 2: Lý luận chung của máy điện quay xoay chiều ....................................69 2.1. Dây quấn máy điện quay xoay chiều...............................................................69 2.1.1. Đại cương ..................................................................................................69 2.1.2. Dây quấn ba pha có q là số nguyên...........................................................72 2.1.3. Dây quấn ba pha có q là phân số...............................................................76 2.1.4. Dây quấn máy điện xoay chiều một pha...................................................77 2.1.5. Dây quấn ngắn mạch kiểu lồng sóc ..........................................................80 2.1.6. Xác định cực tính các đầu dây ra của máy điện xoay chiều .....................80 2.2. Sức điện động dây quấn máy điện xoay chiều.................................................81 2.2.1. Khái quát chung ........................................................................................81 2.2.2. Sức điện động cảm ứng trong dây quấn ....................................................82 2.2.3. Cải thiện dạng sóng sức điện động ...........................................................86 2.3. Sức từ động của dây quấn máy điện xoay chiều ..............................................87 2.3.1. Khái quát chung .......................................................................................87 2.3.2. Sức từ động dây quấn một pha .................................................................90 2.3.3. Sức từ động dây quấn 3 pha (m pha) .........................................................93 2.3.4. Sức từ động dây quấn 2 pha ......................................................................95 2.4. Phát nóng và làm mát của các máy điện..........................................................95 2.4.1. Khái quát chung ........................................................................................95 2.4.2. Sự phát nóng và nguội lạnh của máy điện.................................................98 2.4.2. Vấn đề làm lạnh các máy điện ................................................................100 Chương 3: Máy điện không đồng bộ ....................................................................102 3.1. Đại cương về máy điện không đồng bộ .........................................................102 3.1.1. Phân loại và kết cấu.................................................................................102 3.1.2. Nguyên lý làm việc của máy điện không đồng bộ..................................104 3.1.3. Các đại lượng định mức ..........................................................................106 3.2. Quan hệ điện từ trong máy điện không đồng bộ ...........................................107 3.2.1. Khái quát chung ......................................................................................107 3.2.2. Máy điện không đồng bộ làm việc khi rôto đứng yên ............................107 3.2.3. Máy điện không đồng bộ làm việc khi rotor quay ..................................111 3.2.4. Các chế độ làm việc, giản đồ năng lượng và đồ thị véc tơ của máy điện không đồng bộ...................................................................................................115 3.2.5. Biểu thức mômen điện từ của máy điện không đồng bộ .........................119 3.3. Các đường đặc tính của động cơ điện không đồng bộ ...................................126 3.3.1. Đặc tính tốc độ n = f(P2) .........................................................................126 3.3.2. Đặc tính moment M = f (P2)...................................................................126 3.3.3. Tổn hao và đặc tính hiệu suất của động cơ η = f (P2) .............................127 3.3.4. Đặc tính hệ số công suất cosϕ = f (P2) ....................................................127 3.3.4. Năng lực quá tải ......................................................................................127 3.4. Đồ thị vòng tròn của máy điện không đồng bộ..............................................129 3.4.1. Đại cương ................................................................................................129 3.4.2. Cách xây dựng đồ thị vòng tròn ..............................................................129 3.4.2. Xác định đặc tính làm việc của máy điện KĐB bằng đồ thị vòng tròn ..132 3.5. Động cơ điện không đồng bộ ứng dụng hiệu ứng mặt ngoài .........................134 3.5.1. Đại cương ................................................................................................134 3.5.2. Động cơ điện rôto rãnh sâu .....................................................................134 3.5.3. Động cơ điện rôto hai lồng sóc ...............................................................136 3.6. Mở máy và điều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ ..........................138 3.6.1. Mở máy động cơ điện không đồng bộ ....................................................138 3.6.2. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ (KĐB)..........................141 3.7. Các chế độ hãm của động cơ điện không đồng bộ.........................................150 3.7.1. Phương pháp hãm ngược .........................................................................151 3.7.2. Phương pháp hãm tái sinh .......................................................................151 3.7.3. Phương pháp hãm động năng ..................................................................152 3.8. Động cơ điện không đồng bộ một pha ...........................................................152 3.8.1. Đại cương về máy điện không đồng bộ một pha.....................................152 3.8.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ điện một pha ......................152 3.8.3. Phương pháp mở máy và các loại động cơ điện một pha ........................154 3.8.4. Sử dụng động cơ điện 3 pha vào lưới điện 1 pha .....................................157 3.9. Máy điện không đồng bộ đặc biệt..................................................................159 3.9.1. Máy dịch pha...........................................................................................159 3.9.2. Máy điều chỉnh cảm ứng .........................................................................160 3.9.3. Máy biến đổi tần số .................................................................................162 3.9.4. Máy điện không đồng bộ làm việc trong hệ thống tự đồng bộ (xenxin) .163 3.9.5. Động cơ thừa hành không đồng bộ .........................................................165 3.9.6. Máy phát tốc độ.......................................................................................166 3.9.7. Máy biến áp xoay ....................................................................................168 Tài liệu tham khảo..................................................................................................171 1Mở đầu Máy điện là những thiết bị điện được sử dụng nhiều nhất trong tất cả các lĩnh vực của nền kinh tế, vì vậy việc tìm hiểu, nghiên cứu để có những kiến thức cơ bản trong việc thiết kế, sử dụng, vận hành, sửa chữa, khai thác máy điện là vấn đề được nhiều người, nhiều ngành quan tâm. Giáo trình "Máy điện 1" được biên soạn theo chương trình môn học Máy điện 1 đã được Hội đồng khoa học Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định phê duyệt. Nội dung của giáo trình gồm các vấn đề sau: Chương 0. Khái quát chung về máy điện Chương 1. Máy biến áp Chương 2. Lý luận chung của máy điện quay xoay chiều Chương 3. Máy điện không đồng bộ Giáo trình là tài liệu học tập cho đối tượng là sinh viên đại học ngành kỹ thuật điện và điện tự động của trường và cũng là tài liệu tham khảo cho sinh viên các ngành liên quan và các kỹ sư, kỹ thuật viên quan tâm nghiên cứu máy điện. Khi biên soạn giáo trình, chúng tôi đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới có liên quan và phù hợp với đối tượng sử dụng cũng như cố gắng gắn những nội dung lý thuyết với những vấn đề thực tế thường gặp trong sản xuất, đời sống để giáo trình có tính thực tiễn cao. Sau mỗi phần đều có bài tập. Mặc dù đã cố gắng nhưng chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót. Rất mong nhận được ý kiến đóng góp của người sử dụng. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về bộ môn Cơ sở kỹ thuật điện, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định. Các tác giả 2Chương 0: Khái quát chung về máy điện 1. Khái niệm về máy điện Theo quan điểm năng lượng: Máy điện là các thiết bị điện từ, nguyên lý làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, dùng để truyền tải hoặc biến đổi năng lượng điện từ (biến đổi điện năng thành cơ năng, biến đổi cơ năng thành điện năng hoặc biến đổi các thông số điện như dòng điện, điện áp, tần số..). Quá trình truyền tải hoặc biến đổi năng lượng điện từ trong các máy điện đều phải thông qua trường điện từ tồn tại trong máy. Do đó bất kỳ một máy điện nào cũng đều có hai mạch là mạch điện và mạch từ. Các máy điện có nhiều loại và cấu tạo tuy có khác nhau song đứng về mặt năng lượng có thể coi máy điện như một thiết bị điện có hai cửa là cửa vào nhận năng lượng đưa vào và cửa ra đưa năng lượng từ máy ra ngoài (Hình 0-1). Nếu là máy phát điện thì năng lượng đưa vào cửa vào là cơ năng thể hiện qua mômen M và tốc độ quay n truyền lên trục quay máy phát còn năng lượng lấy ở cửa ra là điện năng thể hiện qua dòng điện i và điện áp u. Nếu là động cơ thì ngược lại, năng lượng đưa vào là điện năng (u, i) và năng lượng lấy ra là cơ năng (M, n). Trường hợp máy truyền tải năng lượng, ví dụ như máy biến áp thì năng lượng ở cửa vào và cửa ra đều là điện năng (vào u1, i1; ra u2, i2). Ta có thể coi như có một dòng năng lượng chảy liên tục qua máy điện (Hình 0-2), dòng năng lượng chảy vào máy với công suất P1, một phần năng lượng này bị mất mát ở trong máy với công suất ∆P và năng lượng chảy ra khỏi máy với công suất còn lại là P2 = P1 - ∆P. 2. Phân loại máy điện Các máy điện giữ vai trò chủ yếu trong các thiết bị điện, dùng trong mọi lĩnh vực sản xuất như công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, xây dựng... Máy điện được phân loại theo nhiều cách khác nhau như: theo công suất, theo cấu tạo, theo dòng điện (một chiều, xoay chiều), theo nguyên lý làm việc, theo kiểu bảo vệ, theo chức năng,...ở đây ta phân loại dựa theo nguyên lý biến đổi năng lượng như sau: Máy điện Cửa vào Cửa ra (u, i) hoặc (M, n) (M, n) hoặc (u, i) Máy điện Hình 0.2: Dòng năng lượng chảy qua máy điện ∆P P1 P2 Hình 0.1: Thiết bị điện có hai cửa 3a. Máy điện tĩnh Máy điện tĩnh thường gặp là máy biến áp, làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ do sự biến thiên từ thông giữa các cuộn dây không có sự chuyển động tương đối với nhau. Loại máy này thường dùng để biến đổi thông số điện năng. b. Máy điện quay (động) Nguyên lý làm việc của máy điện quay dựa vào 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 này thường dùng để biến đổi dạng năng lượng, ví dụ biến đổi điện năng thành cơ năng (động cơ điện), hoặc biến đổi cơ năng thành điện năng (máy phát điện). Sơ đồ phân loại máy điện thông dụng thường gặp như trên Hình 0-3. 3. Vật liệu dùng trong máy điện Các vật liệu dùng trong máy điện gồm: vật liệu cấu trúc, vật liệu tác dụng, vật liệu cách điện. a. Vật liệu cấu trúc Vật liệu cấu trúc là vật liệu dùng chế tạo các chi tiết để nhận hoặc truyền các tác động cơ học. Ví dụ: trục máy, ổ máy, vỏ máy, nắp máy. Máy điện Máy điện tĩnh Máy điện quay Máy điện xoay chiều Máy điện một chiều MĐ không đồng bộ MĐ đồng bộ Động cơ điện KĐB Máy biến áp Máy phát điện KĐB Máy phát điện ĐB Động cơ đồng bộ Máy phát một chiều Động cơ một chiều Hình 0.3: Sơ đồ phân loại máy điện 4Vật liệu cấu trúc thường dùng trong máy điện là gang, thép lá, thép rèn, kim loại màu và các hợp chất của chúng, các chất dẻo. b. Vật liệu tác dụng Vật liệu tác dụng là các vật liệu dùng chế tạo những bộ phận dẫn điện hoặc dẫn từ, tạo điều kiện cần thiết cho những quá trình điện từ xảy ra trong máy điện. * Vật liệu dẫn từ Vật liệu dẫn từ thường dùng trong máy điện là các vật liệu sắt từ khác nhau như lá thép kỹ thuật điện, gang, thép đúc, lá thép. ở các phần mạch từ dẫn từ thông biến thiên với tần số 50 Hz (như lõi thép máy biến áp, stato, rôto máy điện không đồng bộ) thì vật liệu sắt từ làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,35 mm đến 0,5 mm, có pha thêm 2 đến 5 % Ni để tăng điện trở trên đường đi của dòng điện xoáy. ở các tần số lớn hơn thì các lá thép kỹ thuật điện chỉ dày 0,1 mm đến 0,2 mm để giảm tổn thất dòng điện xoáy trong mạch từ. Những lá thép kỹ thuật điện có thể chế tạo bằng phương pháp cán nóng hoặc cán nguội. Hiện nay đa số các máy biến áp và máy điện quay công suất lớn đều dùng thép cán nguội vì nó có độ từ thẩm cao, tổn thất sắt từ nhỏ hơn loại thép cán nóng. ở các phần mạch từ dẫn từ thông không đổi (rôto máy điện đồng bộ, cực từ máy điện một chiều) thì vật liệu sắt từ là thép đúc, thép rèn hoặc thép lá. * Vật liệu dẫn điện Vật liệu dẫn điện thường dùng tốt nhất trong các máy điện là đồng vì nó không đắt lắm mà điện trở suất lại nhỏ. Nhôm cũng được dùng nhiều, nhôm có điện trở suất lớn hơn đồng nhưng lại nhẹ. Đôi khi còn dùng dây dẫn là những hợp kim như đồng thau (hỗn hợp của đồng, thiếc, kẽm), đồng đỏ pha phốtpho. c. Vật liệu cách điện Vật liệu cách điện dùng để cách điện giữa các phần dẫn điện và không dẫn điện hoặc giữa các phần dẫn điện với nhau. Vật liệu cách điện là vật liệu quan trọng trong máy điện, nó quyết định phần lớn sự làm việc ổn định của máy. Yêu cầu vật liệu cách điện phải có cường độ cách điện cao, chịu nhiệt tốt, tản nhiệt tốt, chống ẩm và bền về cơ học. Độ bền vững về nhiệt của chất cách điện bọc dây dẫn quyết định nhiệt độ cho phép của dây dẫn và do đó quyết định tải của nó. Nếu tính năng của vật liệu cách điện cao thì lớp cách điện mỏng và kích thước máy giảm. Chất cách điện chủ yếu ở thể rắn, gồm 4 bốn nhóm: chất hữu cơ thiên nhiên như giấy, vải lụa; chất vô cơ như amiăng, mica, sợi thuỷ tinh; các chất tổng hợp; các loại men, sơn cách điện. Chất cách điện tốt nhất là mica, song tương đối đắt nên chỉ dùng trong các máy điện có điện áp cao (từ 3000 V trở lên). Thông thường dùng các vật liệu như giấy, vải, sợi chúng có độ bền cơ tốt, mềm, rẻ tiền nhưng dẫn nhiệt kém, hút ẩm, cách điện kém vì vậy chúng phải được sấy tẩm để cải thiện tính năng 5của vật liệu cách điện. Ngoài ra còn có chất cách điện ở thể khí (không khí, hyđrô) hoặc thể lỏng (dầu máy biến áp). Căn cứ vào độ bền nhiệt, vật liệu cách điện được chia thành các cấp như bảng sau: Kí hiệu cấp cách điện Y A E B F H C Nhiệt độ làm việc cho phép (0C) 90 105 120 130 155 180 >180 4. Các chế độ làm việc và những đại lượng định mức của máy điện Mỗi máy điện sản xuất ra đều được thiết kế với một công suất và điện áp nhất định, tuỳ theo tiết diện dây dẫn và tính chất cách điện được sử dụng trong máy. Nếu cho máy điện làm việc với điện áp quá quy định thì chất cách điện sẽ bị chọc thủng; còn nếu cho làm việc với công suất lớn quá quy định thì máy sẽ phát nóng quá mức, chất cách điện bị già cỗi hoặc có thể bị cháy. Trên nhãn các máy có ghi các trị số định mức do xưởng sản xuất quy định. Các trị số định mức quan trọng đó là điện áp dây định mức Uđm và công suất định mức Pđm. Khi máy điện làm việc với đúng các trị số định mức ghi trên nhãn máy gọi là chế độ làm việc định mức của máy. Ngoài ra tuỳ theo yêu cầu sản xuất mà máy điện còn được sản xuất để làm việc ở chế độ định mức lâu dài và liên tục; hoặc chế độ định mức ngắn hạn hoặc ngắn hạn lặp lại. 5. Phương pháp nghiên cứu máy điện a. Các định luật thường dùng để nghiên cứu máy điện * Định luật cảm ứng điện từ • Trường hợp từ thông biến thiên xuyên qua vòng dây Khi từ thông xuyên qua vòng dây biến thiên, trong vòng dây sẽ cảm ứng sức điện động, chiều sức điện động phải có chiều sao cho dòng điện do nó sinh ra tạo ra từ thông chống lại sự biến thiên của từ thông đã sinh ra nó. Nội dung của định luật có thể thu gọn trong công thức Măcxoen (Maxwell): dt de Φ−= (0-1) Theo công thức trên chiều sức điện động cảm ứng trong vòng dây có thể xác định theo quy tắc vặn nút chai như sau: Quay cái vặn nút chai tiến theo chiều của từ thông, chiều quay của cái vặn nút chai là chiều dương của sức điện động cảm ứng (Hình 0-4). Dấu ⊕ trên hình vẽ chỉ chiều từ thông đi từ ngoài vào trang giấy. 6Khi từ thông biến thiên xuyên qua cuộn dây có W vòng dây, trong cuộn dây có sức điện động cảm ứng: dt d dt de Ψ−=Φ−= (0-2) Trong đó: Ψ=W.Φ gọi là từ thông móc vòng của cuộn dây. Đơn vị của từ thông đo bằng Wb (vebe), sức điện động đo bằng vol (V). • Trường hợp thanh dẫn chuyển động trong từ trường Khi thanh dẫn có chiều dài l (m) chuyển động vuông góc trong từ trường đều có cảm ứng từ B (T) với vận tốc v (m/s), trong thanh dẫn có sức điện động cảm ứng có trị số: E = B.l.v (V) (0-3) Chiều sức điện động cảm ứng xác định theo quy tắc bàn tay phải (Hình 0-5): Để cho đường sức từ (hay véc tơ từ cảm B) xuyên vào lòng bàn tay phải, ngón tay cái doãi ra theo chiều chuyển động của thanh dẫn thì chiều từ cổ tay đến bốn ngón tay còn lại sẽ là chiều của sức điện động cảm ứng. * Định luật lực điện từ Khi thanh dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường đều có cường độ từ cảm B, thanh dẫn sẽ chịu một lực tác dụng: F = B. l. i. sinα (0-4) Trong đó: l (m) là chiều dài thanh dẫn; B (T) là từ cảm; i (A) là dòng điện trong thanh dây dẫn; α là góc tạo bởi chiều của từ trường và dòng điện. Φ e Hình 0.4: Xác định sức điện động cảm ứng theo công thức Mắc xoen Hình 0.5: Xác định chiều sức điện động cảm ứng theo quy tắc bàn tay phải Hình 0.6: Xác định chiều lực điện từ theo quy tắc bàn tay trái 7Chiều của lực điện từ tác dụng lên thanh dẫn xác định theo quy tắc bàn tay trái (Hình 0-6) như sau: Ngửa bàn tay trái cho đường sức từ (hoặc véc tơ từ cảm B) xuyên qua lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến bốn ngón tay là chiều dòng điện thì ngón tay cái doãi ra chỉ chiều lực điện từ. * 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 các mạch. ∫ ∑= iHdl (0-5) b. Các bước nghiên cứu máy điện Bước 1: Mô tả hiện tượng vật lý xảy ra trong máy điện. Bước 2: Dựa vào các định luật vật lý, viết các phương trình toán học mô tả sự làm việc của máy điện. Đó là mô hình toán học của máy điện. Bước 3: Từ mô hình toán học thiết lập mạch, đó chính là sơ đồ thay thế của máy điện. Bước 4: Từ mô hình toán học và mô hình mạch tính toán các đặc tính và nghiên cứu máy điện, khai thác sử dụng theo yêu cầu cụ thể. 8Chương 1: Máy biến áp 1.1. Đại cương về máy biến áp 1.1.1. Vai trò của máy biến áp Máy biến áp (MBA) có vai trò quan trọng trong hệ thống điện, nó là một khâu quan trọng dùng để truyền tải và phân phối điện năng. Để dẫn điện từ các nhà máy điện đến các hộ tiêu thụ điện cần phải có đường dây truyền tải điện (Hình 1.1). Nếu khoảng cách từ các nhà máy điện và hộ tiêu thụ lớn thì một vấn đề được đặt ra là làm thế nào để việc truyền tải điện năng đi xa kinh tế nhất. Dòng điện truyền tải trên đường dây : ϕ = cosU3 PI (1.1) Và tổn hao công suất trên đường dây : d22 2 d 2 R cosU3 PRIP ϕ ==∆ (1.2) Trong đó : P là công suất truyền tải trên đường dây; U là điện áp truyền tải của đường dây; Rd là điện trở của đường dây; cosϕ là hệ số công suất của đường dây; ϕ là góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp. Từ các công thức trên ta thấy cùng một công suất truyền tải trên đường dây, nếu điện áp truyền tải càng cao thì dòng điện trên đường dây sẽ càng bé, vì vậy trọng lượng và chi phí đường dây sẽ giảm xuống, tiết kiệm được kim loại màu, đồng thời tổn hao công suất trên đường dây sẽ được giảm xuống. Vì vậy muốn truyền tải được công suất lớn đi xa ít tổn hao và tiết kiệm được kim loại màu người ta phải dùng điện áp cao, thường là 35 KV, 110 KV, 220 KV, 500 KV. Trên thực tế các máy phát điện không có khả năng phát ra điện áp cao như vậy mà thường từ 3 KV ữ 21 KV, do đó phải có thiết bị tăng áp ở đầu đường dây. Mặt khác các hộ tiêu thụ thường yêu cầu điện áp thấp thường từ 0,4 KVữ6 KV vì vậy ở cuối đường dây cần có thiết bị giảm áp. Thiết bị dùng để tăng áp ở đầu đường dây và giảm áp ở cuối đường dây gọi là máy biến áp. ~ Máy phát điện Đường dây truyền tải Máy biến áp tăng áp Máy biến ápgiảm áp Hộ tiêu thụ Hình 1.1: Sơ đồ mạng truyền tải điện đơn giản 9Ngoài ra máy biến áp còn được dùng trong các thiết bị lò nung (máy biến áp lò), trong hàn điện (máy biến áp hàn), làm nguồn cho các thiết bị điện, điện tử cần nhiều cấp điện áp khác nhau, trong lĩnh vực đo lường (máy biến điện áp, máy biến dòng)... 1.1.2. Kết cấu của máy biến áp Máy biến áp thường có cấu tạo từ ba bộ phận chính là lõi thép (mạch từ), dây quấn và vỏ máy. 1. Lõi thép máy biến áp Lõi thép dùng để dẫn từ thông đồng thời làm khung để quấn dây, được chế tạo bằng các vật liệu dẫn từ tốt, thường là lá thép kỹ thuật điện có bề dày 0,35 mm đến 1mm, mặt ngoài các lá thép có sơn cách điện rồi ghép lại với nhau thành lõi thép. Các lá thép được ghép chặt với nhau bằng các đinh ốc, ghép càng chặt thì khi làm việc càng ít tiếng ồn. Lõi thép gồm có hai phần: phần trụ và phần gông. - Trụ là phần để đặt dây quấn (kí hiệu bằng chữ T, Hình 1.2). - Gông là phần khép kín mạch từ giữa các trụ (kí hiệu bằng chữ G, Hình 1.2). Theo hình dáng lõi thép người ta chia máy biến áp thành hai kiểu: máy biến áp kiểu trụ (lõi) và máy biến áp kiểu bọc. - Máy biến áp kiểu trụ (Hình 1-2): Dây quấn bao quanh trụ thép. Loại này hiện nay được sử dụng nhiều cho các máy biến áp một pha và ba pha có công suất nhỏ và trung bình. - Máy biến áp kiểu bọc (Hình 1.3): lõi thép được phân nhánh ra hai bên và bọc lấy một phần dây quấn. Loại này ít được dùng, chỉ dùng trong một vài trường hợp đặc biệt như dùng trong lò luyện kim, hay máy biến áp một pha công suất nhỏ trong kỹ thuật vô tuyến, âm thanh. - Đối với các máy biến áp dung lượng lớn (80 MVA ữ 100 MVA trên một pha), điện áp cao (220 KV ữ 400 KV) để giảm chiều cao của trụ và tiện lợi cho việc vận chuyển thì mạch từ của máy biến áp kiểu trụ được phân nhánh sang hai bên nên máy Hình 1.2: Máy biến áp kiểu trụ a. Một pha; b. ba pha G G T T (a) (b) 10 biến áp mang hình dáng vừa kiểu trụ vừa kiểu bọc, gọi là máy biến áp kiểu trụ - bọc (Hình 1.4). 2. Dây quấn máy biến áp Dây quấn là phần dẫn điện của máy biến áp, làm nhiệm vụ nhận năng lượng vào và truyền năng lượng ra. Dây quấn máy biến áp thường làm bằng dây đồng hoặc dây nhôm, tiết diện tròn hoặc hình chữ nhật, bên ngoài dây dẫn có bọc cách điện. Dây quấn gồm nhiều vòng dây và lồng vào trụ của lõi thép. Giữa các vòng dây, giữa các dây quấn, và giữa dây quấn với lõi thép đều có cách điện. Máy biến áp thường có hai hoặc nhiều dây quấn. Khi các dây quấn đặt trên cùng một trụ thì dây quấn có điện áp thấp quấn sát trụ còn dây quấn điện áp cao đặt bên ngoài. Làm như vậy sẽ giảm được vật liệu cách điện. Dây quấn máy biến áp có hai loại chính: dây quấn đồng tâm và dây quấn xen kẽ. Hình 1. 5: Dây quấn máy biến áp * Dây quấn đồng tâm có tiết diện ngang là những vòng tròn đồng tâm. Những kiểu dây quấn đồng tâm chính là: dây quấn hình trụ (Hình 1.5a,b) dùng cho cả dây quấn cao áp và dây quấn hạ áp; dây quấn hình xoắn (Hình 1.5c) dùng cho dây quấn hạ áp có nhiều sợi chập; dây quấn hình xoáy ốc liên tục (Hình 1.5d) dùng cho dây quấn cao áp tiết diện hình chữ nhật. Hình 1.3: Máy biến áp 1 pha kiểu bọc (a) (b) Hình 1.4: Máy biến áp kiểu trụ- bọc a. một pha; b. ba pha 11 * Dây quấn xen kẽ có các bánh dây cao áp và hạ áp đặt xen kẽ nhau dọc theo trụ thép (Hình 1.6). Để cách điện được dễ dàng bánh dây hạ áp thường đặt sát gông. - Kiểu dây quấn này thường dùng trong các máy biến áp kiểu bọc. Vì chế tạo và cách điện khó khăn, kém vững chắc về cơ khí nên các máy biến áp kiểu trụ hầu như không được dùng kiểu dây quấn này. 3. Vỏ máy biến áp Vỏ máy biến áp gồm hai bộ phận: thùng máy và nắp thùng. a. Thùng máy biến áp Thùng máy biến áp làm bằng thép, thường có hình bầu dục bên trong chứa lõi thép, dây quấn và dầu máy biến áp (Hình 1.7). Dầu máy biến áp làm nhiệm vụ làm mát và tăng cường cách điện. Khi máy 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 máy biến áp sang dầu và từ dầu qua vách thùng máy biến áp mà nhiệt được truyền sang môi trường xung quanh. HA CA Hình 1. 6: Dây quấn xen kẽ HA CA HA Hình 1.7: Máy biến áp dầu ba pha 16000KVA/110KV 1. Móc vận chuyển; 2. Sứ cao áp 110KV; 4. Sứ trung áp 38,5KV; 5. Sứ hạ áp 10,5KV; 7. ống phòng nổ; 8. Bình giãn dầu; 10. Thước chỉ dầu; 12. Xà ép gông; 13. Bình hút ẩm; 16. Dây quấn cao áp; 18. Bộ lọc đối lưu; 22. Vỏ thùng; 23. Bộ tản nhiệt; 24. Cáp cấp điện cho động cơ; 25. Động cơ quath gió làm mát; 26. Bộ truyền động chuyển mạch 12 b. Nắp thùng máy biến áp Nắp thùng máy biến áp cũng làm bằng thép dùng để đậy thùng và trên đó có đặt các bộ phận quan trọng như: - Sứ ra của dây quấn cao áp và hạ áp: dùng để cách điện. - Bình giãn dầu (bình dầu phụ): làm bằng thép có dạng hình trụ, được nối thông với thùng bằng một ống dẫn dầu, thông qua bình giãn dầu giãn nở tự do. ống chỉ mức dầu đặt bên cạnh bình giãn dầu dùng để theo dõi mức dầu bên trong. - ống bảo hiểm: làm bằng thép, thường là hình trụ nghiêng, một đầu nối với thùng, một đầu bịt bằng đĩa thuỷ tinh. Nếu vì một lý do nào đó áp suất thùng dầu tăng lên đột ngột, đĩa thuỷ tinh sẽ vỡ, dầu theo đó thoát ra ngoài để máy biến áp không bị hư hỏng. - Ngoài 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, rơ le hơi để bảo vệ máy biến áp... 1.1.3. Nguyên lý làm việc của máy biến áp ở đây ta xét nguyên lý làm việc của máy biến áp lý tưởng. Máy biến áp lý tưởng có các tính chất sau: Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý của MBA một pha hai dây quấn - Cuộn dây không có điện trở. - Từ thông trong lõi thép móc vòng với cả hai dây quấn, không có từ thông tản và không có tổn hao trong lõi thép. - Độ từ thẩm của thép rất lớn, như vậy dòng từ hoá cần để sinh ra từ thông trong lõi thép rất nhỏ không đáng kể. Hình 1.8 vẽ sơ đồ nguyên lý...ó tính chất điện cảm. Cách vẽ đồ thị véc tơ như sau: - Đặt véc tơ từ thông mΦ theo chiều dương trục hoành. - Vẽ véc tơ dòng điện không tải 0I vượt trước véc tơ từ thông mΦ một góc α. - Vẽ các véc tơ sức điện động 1E và 2E ′ chậm sau mΦ một góc 900. - Vì tải có tính chất điện cảm nên dòng điện 2I′ chậm sau 2E ′ một góc 2ψ được quyết định bởi điện kháng và điện trở của tải và dây quấn thứ cấp. Ta có: t2 t2 2 rr xxarctg ′+′ ′+′ =ψ - Vẽ véc tơ dòng điện 1I bằng véc tơ dòng điện 0I cộng với véc tơ dòng điện (- 2I′ ) theo phương trình 1.23c. - Vẽ các véc tơ khác dựa vào các phương trình (1.23a,b). (a) (b) (c) Hình 1.30: Đồ thị véc tơ của MBA a. khi tải có tính chất điện cảm; b. khi tải có tính điện dung; c. khi coi I0=0 2. Đồ thị véc tơ của máy biến áp trong trường hợp tải có tính chất điện dung Cách vẽ đồ thị véc tơ của máy biến áp trong trường hợp này tương tự trường hợp trên, nhưng dòng điện 2I′ vượt trước sức điện động 2E ′ một góc 2ψ (Hình 1.30b). 33 3. Đồ thị véc tơ đơn giản Trong trường hợp đơn giản coi dòng điện 0I= 0, khi đó dòng điện 21 II ′−=  nên phương trình cân bằng điện áp là: n1n11n121 xIjrIUZIUU  ++=+′= (1.24) Đồ thị véc tơ trong trường hợp tải có tính chất điện cảm như Hình 1.30c. 1.3.4. Xác định các tham số của máy biến áp Các tham số của máy biến áp có thể xác định bằng thí nghiệm hoặc bằng tính toán. ở đây ta trình bày cách xác định các tham số máy biến áp bằng thí nghiệm. Để xác định các tham số của máy biến áp dùng hai thí nghiệm là không tải và ngắn mạch. 1. Thí nghiệm không tải máy biến áp Chế độ không tải của máy biến áp là chế độ mà máy biến áp có dây quấn thứ cấp hở mạch còn dây quấn sơ cấp được cấp nguồn điện áp xoay chiều u1. Lúc máy biến áp không tải, tức 2I′= 0, mạch điện thay thế của máy biến áp có dạng như Hình 1.31 và hệ các phương trình cân bằng của máy biến áp là: ( ) 01 22 0001111 II EU jxrIZIEU    = ′=′ +=+−= (1.25) Trong đó: Z0 = Z1 + Zm = r0 + jx0 là tổng trở không tải của máy biến áp. r0 = r1 + rm là điện trở không tải của máy biến áp. x0 = x1 + xm là điện kháng không tải của máy biến áp. Hình 1.32: Sơ đồ thí nghiệm không tải của MBA một pha Hình 1.31: Mạch điện thay thế MBA một pha khi không tải Đồ thị véc tơ tương ứng có dạng như trên Hình 1.33. Tỉ số biến đổi, tổn hao sắt từ và các thông số khác của máy biến áp ở chế độ không tải được xác định từ thí nghiệm không tải. Sơ đồ thí nghiệm không tải máy biến áp như Hình 1.32. Để hở mạch dây quấn thứ cấp và đặt điện áp hình sin vào dây quấn sơ cấp với U1 = U1đm. Các đồng hồ vôn 34 mét, ampemét, óatmét sẽ đo được các giá trị tương ứng là điện áp sơ cấp U1, điện áp thứ cấp U20, dòng điện không tải I0 và công suất không tải P0. * Từ các số liệu thí nghiệm tính được: a. Tỉ số biến đổi của máy biến áp 20 1 2 1 U U W Wk ≈= (1.26) b. Dòng điện không tải phần trăm (i0%) )%101(100.I I%i dm1 0 0 ữ≈= (1.27) c. Tổng trở nhánh từ hoá - Tổng trở không tải: 0 dm1 0 I UZ = (1.28) Hình 1.33. Đồ thị véc tơ của máy biến áp khi không tải. - Điện trở không tải: 2 0 0 0 I Pr = (1.29) - Điện kháng không tải: 2 0 2 00 rZx −= (1.30) Trong các máy biến áp điện lực điện trở sơ cấp r1 và điện kháng tản sơ cấp x1 thường nhỏ hơn rất nhiều so với điện trở, điện kháng từ hoá rm và xm nên có thể xem tổng trở, điện trở và điện kháng không tải bằng các tham số từ hóa tương ứng: m0m0m0 xx;rr;zZ ≈≈≈ (1.31) d. Tổn hao không tải (P0) Từ mạch điện thay thế ta thấy tổn hao không tải gồm có tổn hao đồng trên dây quấn sơ cấp và tổn hao sắt từ trong lõi thép. Như vậy: P0 = ( ) 020m120 rIrrI =+ (1.32) Do điện trở của dây quấn sơ cấp và dòng điện không tải nhỏ nên có thể bỏ qua tổn hao đồng trên dây quấn sơ cấp lúc không tải, vì vậy thực tế có thể xem tổn hao không tải P0 là tổn hao sắt từ pst do từ trễ và dòng điện xoáy trong lõi thép gây nên: P0 = pst Vì điện áp đặt vào sơ cấp không thay đổi, nênΦ , B không thay đổi nên tổn hao sắt từ và tổn hao không tải không thay đổi. e. Hệ số công suất không tải 35 01 0 0 IU Pcos =ϕ (1.33 ) Từ đồ thị véc tơ ta thấy góc lệch pha giữa 1U và 0I là 00 90≈ nên hệ số công suất của máy biến áp lúc không tải rất thấp, thường 1,0cos 0 ≤ . Điều này có ý nghĩa thực tế là không nên để máy biến áp vận hành không tải hoặc non tải, vì lúc đó sẽ làm xấu hệ số công suất của lưới điện. 2. Thí nghiệm ngắn mạch Chế độ ngắn mạch máy biến áp là chế độ mà dây quấn thứ cấp bị nối tắt, dây quấn sơ cấp đặt vào một điện áp. Trong vận hành có nhiều nguyên nhân làm máy biến áp bị ngắn mạch như hai dây quấn thứ cấp chập vào nhau, rơi xuống đất, hoặc nối với nhau bằng tổng trở rất nhỏ. Đó là tình trạng ngắn mạch sự cố, dòng điện ngắn mạch rất lớn gây nguy hiểm nên cần phải tránh. Khi máy biến áp bị ngắn mạch điện áp thứ cấp U2= 0, mạch điện thay thế máy biến áp như trên Hình 1.34. Dòng điện ở dây quấn sơ cấp là dòng điện ngắn mạch In. Phương trình cân bằng điện áp của máy biến áp khi ngắn mạch: )jxr(IZIU nnnnn1 +==  (1.34) Trong đó: Zn = Z1 + 2Z ′ = rn + jxn là tổng trở ngắn mạch của máy biến áp. rn = r1 + 2r ′ là điện trở ngắn mạch của máy biến áp. xn = x1 + 2x′ là điện kháng ngắn mạch của máy biến áp. Từ phương trình (1.34) xác định được dòng điện ngắn mạch khi U1=U1đm là: n dm1 n Z UI = (1.35) Do tổng trở ngắn mạch của máy biến áp rất nhỏ và điện áp dây quấn sơ cấp là định mức nên dòng điện ngắn mạch In rất lớn bằng khoảng (10ữ25)Iđm. Đây là trường hợp ngắn mạch sự cố, rất nguy hiểm cho máy biến áp vì vậy cần tránh tình trạng ngắn mạch này. Hình 1.34: Mạch điện thay thế máy biến áp một pha khi ngắn mạch 36 Thí nghiệm ngắn mạch tiến hành như sau: dây quấn thứ cấp nối ngắn mạch, dây quấn sơ cấp nối với nguồn qua bộ điều chỉnh điện áp. Điều chỉnh điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp sao cho dòng điện trong đó bằng dòng điện định mức. Điện áp đó gọi là điện áp ngắn mạch Un . Sơ đồ thí nghiệm như trên Hình 1.35. Hình 1.35: Sơ đồ thí nghiệm ngắn mạch MBA một pha Lúc đó, các đồng hồ đo cho số liệu như sau: Vôn kế chỉ Un là điện áp ngắn mạch, oát kế chỉ Pn là công suất ngắn mạch, Ampe kế chỉ I1đm là dòng điện định mức của dây quấn sơ cấp. Từ các số liệu này tính được các số liệu khác như sau: a. Tổng trở, điện trở, điện kháng ngắn mạch 2 n 2 nn2 dm1 n n dm1 n n rZx;I Pr;I UZ −=== (1.36) ` Trong máy biến áp thường 2121 xx;rr ′=′= nên điện trở và điện kháng tản của dây quấn sơ cấp và của dây quấn thứ cấp quy đổi là: 2 xxx;2 rrr n21n21 =′==′= (1.37) b. Tổn hao ngắn mạch Vì dòng điệnkhông tải i0 rất nhỏ nên coi công suất lúc ngắn mạch là công suất dùng để bù vào tổn hao đồng trong dây quấn sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp: n 2 1n21 2 1n 2 2 21 2 1nd2d1n rI)r(rI r)I(rIppP =′+= ′′+=+= (1.38) c. Hệ số công suất ngắn mạch n n 1dm1dm n n Z r IU Pcos ==ϕ (1.39) d. Điện áp ngắn mạch Điện áp ngắn mạch phần trăm: .100U ZI.100U U%u 1dm n1dm. 1dm n n == (1.40) Điện áp ngắn mạch gồm hai thành phần: thành phần rơi trên điện trở ngắn mạch rn gọi là điện áp ngắn mạch tác dụng và thành phần rơi trên điện kháng ngắn mạch xn gọi là điện áp ngắn mạch phản kháng. 37 - Điện áp ngắn mạch tác dụng phần trăm: 100.U rI100.U U%u dm1 n.dm1 dm1 nr nr == (1.41a) Hay: ( )( )kVAS10 WP100.S r.I100.I I.U r.I%u dm n dm n 2 dm1 dm1 dm1 dm1 ndm1 nr === (1.41b) - Điện áp ngắn mạch phản kháng phần trăm: .100U .xI.100U U%u 1dm n1dm 1dm nx nx == (1.42) Đồ thị véc tơ của máy biến áp khi ngắn mạch với In = Iđm vẽ trên Hình 1.36. Tam giác OAB gọi là tam giác điện áp ngắn mạch, cạnh huyền biểu thị điện áp ngắn mạch toàn phần Un, các cạnh góc vuông chính là điện áp rơi trên điện trở và điện kháng ngắn mạch: nnnx nnnr sinUU cosUU   = = (1.43) 2 nx 2 nrn UUU += (a) (b) Hình 1.36: Chế độ ngắn mạch MBA a. Đồ thị véc tơ; b. Tam giác điện áp ngắn mạch Ví dụ 1.4. Máy biến áp một pha có các số liệu sau: Sđm= 2500 VA; U1đm=220 V; U2đm=127 V; i0=4%; P0=30 W; un=5%; Pn=80 W. Hãy: - Tính các thông số trên mạch điện thay thế. - Tính các thành phần điện áp ngắn mạch phần trăm. Giải: nđmnx xIjU .. = IđmIđm nđmn zIU .. = nđmnr rIU .. = n n nđm rI . 1 . rI đm ' 2 . rI đm ' 2 . zI đm 1 . zI đm nđm xI . 1 . xjI đm ' 2 . xIj đm Iđmzn 38 a. Các thông số trên mạch điện thay thế: Dòng điện định mức sơ cấp: A35,11220 2500 U SI dm1 dm dm1 === Dòng điện không tải: A0,45100 4.11,35 100 %.IiI 1dm00 === Điện áp ngắn mạch: V11100 220.5 100 U%.uU dm1nn === Các tham số không tải: Ω=== 89,48845,0 220 I UZ 0 dm1 0 Ω=== 15,14845,0 30 I Pr 22 0 0 0 Ω=−=−= 90,46515,14889,488rZx 2220200 Coi rm=r0; xm=x0 ta có: rm=148,15 Ω; xm=465,90 Ω. Các tham số ngắn mạch: Coi: Ω Ω 0,3752 xxx 0,312 rrr n 21 n 21 ==′= ==′= Tỷ số biến đổi của máy biến áp: 73,1127 220 U Uk dm2 dm1 ==≈ Thông số dây quấn thứ cấp chưa quy đổi: Ω==′= Ω==′= 12,073,1 37,0 k xx 1,073,1 31,0 k rr 22 2 2 22 2 2 b. Các thành phần điện áp ngắn mạch phần trăm: %20,3100.220 62,0.35,11100.U rI100.U U%u dm1 n.dm1 dm1 nr nr ==== %87,3100.220 75,0.35,11100.U x.I100.U U%u dm1 ndm1 dm1 nx nx ==== Ví dụ 1.5. Cho một máy biến áp ba pha có các số liệu sau: Sđm = 5600 kVA; U1/U2 = 35000/66000 V; P0 = 18,5 kW; i0 = 4,5%Iđm; un = 7,5%; Pn = 57 kW; f = 50 Hz; Y/∆ -11. 39 Hãy xác định: a. Các thông số trên mạch điện thay thế. b. Các thành phần điện áp ngắn mạch phần trăm. Giải a. Các thông số trên mạch điện thay thế: Dòng điện định mức sơ cấp: A5,9235000.3 10.5600 U3 SI 3 dm1 dm dm1 === Điện áp pha sơ cấp: V U U dmf 202083 35000 3 1 1 === Dòng điện pha không tải: I0f =I0d= A Ii dm 164100 59254 100 10 ,,.,%. == Các tham số không tải: Ω5,48443564850 Ω356 16,4.3 18500 3 6,4857 16,4 20200 222 0 2 00 22 0 0 0 0 1 0 =−=−= === Ω=== rZx I P r I U Z f f f Điện áp pha ngắn mạch tính từ phía sơ cấp: U1n = 100 20200.5,7 100 U%.u f1n = = 1520 V. Các tham số ngắn mạch: Ω=−=−= Ω=== Ω=== 249,1622,24,16rZx 8,15,92.3 57000 I3 Pr 4,165,92 1520 I UZ 222 n 2 nn 22 f1 n n f1 n1 n b. Các thành phần của điện áp ngắn mạch: 40 %45,710020208 3,16.5,92100U xI%u %01,110020208 22,2.5,92100U rI%u f1 nf1 nx f1 nf1 nr =⋅=⋅= =⋅=⋅= Ví dụ 1.6: Máy biến áp một pha có: Sđm=25 KVA; U1đm=380 V; U2đm=127 V, điện áp ngắn mạch phần trăm un%=4%. Hãy tính: 1. Dòng điện định mức sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp. 2. Dòng điện ngắn mạch khi đặt điện áp định mức và 70% điện áp định mức vào cuộn cao áp, cuộn hạ áp nối ngắn mạch. 3. Dòng điện ngắn mạch khi đặt điện áp định mức vào cuộn hạ áp, cuộn cao áp ngắn mạch. Giải a. Dòng điện định mức: 79,65380 10.25 U SI 3 dm1 dm dm1 === A 85,196127 10.25 U SI 3 dm2 dm dm2 === A b. Khi cuộn hạ áp ngắn mạch và đặt điện áp vào cuộn cao áp Dòng điện ngắn mạch trong cuộn sơ cấp là: n dm1 dm1 n1 dm1 n1 dm1 dm1n1 u I U U I U UII === với dm1 n1 n U Uu = là điện áp ngắn mạch trong đơn vị tương đối Dòng điện ngắn mạch trong cuộn thứ cấp là: n dm2 n dm1 2 1 n1 2 1 n2 u I u I.W WIW WI === - Khi đặt điện áp định mức: 75,164404,0 79,65 u II n dm1 n1 === A 492704,0 85,196 u II n dm2 n2 === A - Khi đặt điện áp 70% định mức: 32,11517,0.75,1644I n1 == A 9,34487,0.927I n2 == A c. Khi đặt điện áp định mức vào cuộn hạ áp, cuộn cao áp ngắn mạch. 41 Làm tương tự như trên, ta có dòng điện ngắn mạch trong các dây quấn vẫn không thay đổi. Bài tập Bài tập 1.7. Cho máy biến áp một pha có các số liệu sau: Sđm = 20000 kVA; U1 = 126,8 kV; U2 = 11 KV; f = 50 Hz; tiết diện lõi thép S = 35,95 cm2; mật độ từ thông B = 1,35 T. Tính số vòng dây của dây quấn sơ cấp và thứ cấp. Đáp số :W1 = 117694 vòng, W2 = 10210 vòng. Bài tập 1.8. Cho máy biến áp ba pha Y/ Y – 12 có các số liệu sau: Sđm = 180 kVA; U1/ U2= 6000/400 V; dòng điện không tải i0% = 6,4; tổn hao không tải P0 = 1000 W; điện áp ngắn mạch un% = 5,5; tổn hao ngắn mạch Pn = 4000 W. Giả sử r1 = ,2r , x1 = , 2x . Tính các thành phần của điện áp ngắn mạch. Đáp số : unr% = 2,23; unx% = 5 Bài tập 1.9. Cho một máy biến áp một pha có các số liệu sau: Sđm = 6637 kVA; U1/ U2 = 35/10 kV, Pn = 53500 W, un% = 8. a. Tính Zn, rn. b. Giả sử r1 = ,2r , tính điện trở không qui đổi của dây quấn thứ cấp. Đáp số: a. Zn= 14,8 Ω ; rn = 1,5 Ω b. r2 = 0,061 Ω . Bài tập 1.10. Cho Máy biến áp một pha có r1=200 Ω; r2=2 Ω; điện cảm tản sơ cấp Lt1=50 mH; điện cảm tản thứ cấp Lt2=0,5 mH; tỷ số W1/W2=10. Sơ cấp máy biến áp nối với máy phát có tần số 5000 Hz; điện trở trong Rtr=1600 Ω và sức điện động E =100 V. Thứ cấp máy biến áp nối với tải có điện trở Rt=16 Ω. Hãy xác định: a. Công suất tải tiêu thụ. b. Điện áp trên tải. Đáp số: Ptải=0,7 W; U2=3,348 V 1.4. Máy biến áp làm việc với tải đối xứng Trong điều kiện làm việc bình thường ta có thể phân phối tải đều cho ba pha của máy biến áp, khi đó máy biến áp làm việc với điện áp đối xứng và dòng điện trong các pha cũng đối xứng. Ta xét sự cân bằng năng lượng và sự làm việc của máy biến áp trong điều kiện điện áp sơ cấp U1=const và tần số f=const. 1.4.1. Giản đồ năng lượng và hiệu suất của máy biến áp 1. Giản đồ năng lượng của máy biến áp Trong quá trình truyền tải năng lượng qua MBA có một phần công suất tác dụng và công suất phản kháng bị tiêu hao trong máy. a. Cân bằng công suất tác dụng 42 Công suất tác dụng đưa vào một pha máy biến áp: P1= U1I1cosϕ1 (1.44) Một phần công suất này bù vào tổn hao phía sơ cấp gồm: Tổn hao đồng trên điện trở dây quấn sơ cấp: pđ1=r1I12 Tổn hao sắt trong lõi thép: pst=rmI02 Công suất còn lại gọi là công suất điện từ chuyển sang thứ cấp: Pđt= P1 - pđ1 - pst = E2I2cos 2ψ (1.45) Một phần công suất điện từ này bù vào tổn hao đồng trên điện trở dây quấn thứ cấp: pđ2=r2I22 Công suất tác dụng đầu ra của máy biến áp là: P2= Pđt-pđ2= P1 -pđ1-pst-pđ2= U2I2cosϕ2 (1.46) b. Cân bằng công suất phản kháng Công suất phản kháng đưa vào máy biến áp: Q1= U1I1sinϕ1 (1.47) Công suất phản kháng này trừ đi một phần công suất để tạo từ trường tản ở dây quấn sơ cấp q = x1I12 và từ trường trong lõi thép qm = xmI02, phần còn lại sẽ đưa sang phía thứ cấp: Qđt= Q1 - q1 - qm = 222 sinIE ψ′′ (1.48) Công suất phản kháng đưa đến đầu ra máy biến áp: Q2= Qđt - q2 = Q1-q1-qm-q2= U2I2sinϕ2 (1.49) Giản đồ năng lượng của máy biến áp trên Hình 1.37. Nhận xét: Khi tải có tính chất cảm ϕ2 > 0 thì Q2 > 0, khi đó Q1 > 0 và công suất phản kháng được truyền từ phía sơ cấp sang phía thứ cấp. Hình 1.37: Giản đồ năng lượng của máy biến áp Khi tải có tính chất dung ϕ2< 0 thì Q2< 0, khi đó: - Nếu Q1> 0 thì công suất phản kháng phía thứ cấp và phía sơ cấp đều dùng để từ hóa máy biến áp. - Nếu Q1 < 0 thì công suất phản kháng được truyền từ phía thứ cấp sang phía sơ cấp. 43 2. Hiệu suất của máy biến áp Hiệu suất máy biến áp là tỷ số giữa công suất đầu ra và công suất đầu vào của máy biến áp: .100pppP ppp1% ).100P p(1.100P P% std2d12 std2d1 11 2     +++ ++ −=η −==η ∑ (1.50) Trị số của η nhỏ hơn 1 vì trong quá trình truyền tải công suất qua máy trong máy có tổn hao. * Khi máy làm việc với tải I2, cosϕ2 ta có thể tính được η dựa vào các tham số đã cho của máy. - Công suất định mức của máy là: Sđm= U2đmI2đm= U20I2đm vì U2 ≈ U20 nên Sđm= U20I2đm= U2I2đm - ứng với tải I2, cosϕ2 thì công suất đầu ra của máy là: P2= U2I2cosϕ2= dm2 dm2 2 I. I I . U2. cosϕ2= β.Sđm cosϕ2 Với dm2 2 I I =β là hệ số tải: β = 1 tải định mức; β 1quá tải. - Tổn hao đồng: n 2 2 2dm 22 2dmn 2 2nd2d1d PI IIrIrppp β=    ==+= Tổn hao sắt từ gần như không phụ thuộc vào tải và bằng tổn hao không tải: pst= P0 Vậy: 100).PPcosS PP1(% n 2 02dm n 2 0 β++ϕβ β+ −=η (1.51) Từ biểu thức trên ta thấy khi cosϕ2=const thì ( )β=η f và η đạt giá trị lớn nhất khi 0d d =β η . Sau khi tính toán ta tìm được ηmax ứng với n 0 P P =β hay P0=β2Pn. Thông thường máy biến áp không làm việc ở chế độ định mức mà ở hệ số tải β = 0,5ữ0,7 nên khi thiết kế người ta phải tính toán để hiệu suất cực đại trong khoảng tải đó, thường cấu tạo máy biến áp phải đảm bảo 5,025,0P P n 0 ữ= . 1.4.2. Độ thay đổi điện áp của máy biến áp và cách điều chỉnh. 1. Độ thay đổi điện áp của máy biến áp 44 Khi máy biến áp làm việc, do có điện áp rơi trên các dây quấn sơ cấp và thứ cấp nên điện áp đầu ra của máy U2 thay đổi theo trị số và tính chất điện cảm hoặc điện dung của dòng điện tải I2. Độ thay đổi điện áp ∆U là hiệu số của trị số điện áp thứ cấp lúc không tải U20 và lúc có tải U2: ∆U= U20- U2 Trong đơn vị tương đối: ∗∗ ′ −= ′ ′ − ′ = − = 2 20 220 20 220 U1U UU U UUUΔ (1.52) * Có thể xác định ∆U bằng phương pháp giải tích như sau: - Giả sử máy làm việc với hệ số tải β và hệ số công suất cosϕ2. Đồ thị véc tơ tương ứng như trên Hình 1.38. Khi đó các cạnh của tam giác ngắn mạch ABC được tính như sau: Do đó: 2 n mU1U 2 *2* +≈′−=∆ (1.53) Theo Hình 1.38 ta có: m = Ca + aP = ( )2*nx2*nr sinucosu ϕ+ϕβ n = Ab - bP = ( )2*nx2*nr sinucosu ϕ−ϕβ nên: 2 )sinucosu()sinucosu(U 2 2 * nr2 * nx 2 2 * nx2 * nr * ϕ−ϕβ+ϕ+ϕβ≈∆ (1.54) Số hạng thứ hai của biểu thức (1.54) thường rất nhỏ có thể bỏ qua nên ta có: ( )2*nx2*nr* sinucosuU ϕ+ϕβ=∆ (1.55) Biểu thức (1.55) được biểu diễn theo các thành phần điện áp ngắn mạch phần trăm là: )sin%ucos%u(%U 2nx2nr ϕ+ϕβ=∆ (1.56) * nx dm2 2 dm1 ndm2 dm1 n2 * nr dm2 2n dm1 dm2 dm1 n2 uI I U xI U xIAB uI Ir U I U rIBC β= ′ ′′ = ′ = β= ′ ′ = ′ = - Hạ đường vuông góc AP xuống ∗′2U và đặt AP = n, CP = m ta có: m2 n1mn1U 2 2 2 −−=−−=′ ∗ O ∗Ι′2 ∗ ′2U B ∗ nrU ∗ nxU b p A ∗ 1U =1 C a ϕ2 ϕ2 Hình 1.38: Xác định ∆U của MBA 45 Vì giá trị unr, unx phụ thuộc vào cấu tạo của máy, nên ∆U phụ thuộc vào hệ số tải β và tính chất của tải ϕ2. Quan hệ của chúng được biểu diễn trên Hình 1.39. + Khi β =const thì ∆U = f(cosϕ2). + Khi cosϕ2=const thì ∆U = f(β). Hình 1.39: Đặc tính ∆U a. ∆U = f(cosϕ2) khi β =const; b. ∆U = f(β) khi cosϕ2=const 2. Cách điều chỉnh điện áp của máy biến áp Từ biểu thức (1.56) ta thấy ∆U phụ thuộc vào β và cosϕ2 nên muốn giữ cho U2 không đổi khi tăng tải I2 thì phải thay đổi tỉ số biến đổi điện áp k, nghĩa là ta phải thay đổi số vòng dây của dây quấn. Muốn vậy, ở giữa hoặc cuối cuộn dây quấn cao áp CA đưa ra một số đầu dây ứng với các vòng dây khác nhau để thay đổi điện áp. a. Thay đổi số vòng dây khi máy ngừng làm việc Dùng cho các máy biến áp hạ áp khi điện áp thứ cấp thay đổi hoặc khi điều chỉnh điện áp theo đồ thị phụ tải hàng năm. Đối với máy biến áp có công suất nhỏ mỗi pha có 3 đầu phân áp để có thể điều chỉnh điện áp trong phạm vi ±5%Uđm. Đối với máy biến áp công suất lớn mỗi pha có 5 đầu phân áp để điều chỉnh điện áp trong phạm vi ±2,5%Uđm và ±5%Uđm. Việc đổi nối các đầu phân áp thực hiện khi máy ngừng làm việc nên thiết bị đổi nối đơn giản, rẻ tiền, đặt trong thùng dầu và tay quay đặt trên nắp thùng dầu. Các đầu phân áp đưa ra cuối cuộn dây thì việc cách điện chúng dễ dàng hơn (Hình 1.40a). Các đầu phân áp đưa ra giữa cuộn dây thì lực điện từ đối xứng và từ trường tản phân bố sẽ đều (Hình 1.40b). b. Thay đổi số vòng dây khi máy đang làm việc Trong hệ thống điện lực công suất lớn, nhiều khi cần phải điều chỉnh điện áp khi máy biến áp đang làm việc để phân phối lại công suất tác dụng và công suất phản kháng giữa các phân đoạn của hệ thống. Các máy biến áp này có tên gọi là máy biến 46 áp điều chỉnh dưới tải. Điện áp thường được điều chỉnh từng 1% trong phạm vi ±5%Uđm.. a) (b) Hình 1.40: Các kiểu điều chỉnh điện áp của máy biến áp Việc đổi nối các đầu phân áp trong máy biến áp điều chỉnh dưới tải phức tạp hơn và phải có cuộn kháng K (Hình 1.41) để hạn chế dòng điện ngắn mạch của phần dây quấn bị nối ngắn mạch khi thao tác đổi nối. Hình 1.41 cũng trình bày quá trình thao tác đổi nối từ đầu nhánh X1 đến đầu nhánh X2 , trong đó T1, T2 là các tiếp xúc trượt, C1, C2 là các công tắc tơ. ở vị trí (a và c) dòng qua cuộn kháng K theo hai chiều ngược nhau, nên từ thông trong lõi thép gần bằng không, điện kháng X của cuộn kháng rất bé. Trong vị trí trung gian (b) dòng ngắn mạch chạy qua cuộn K cùng chiều nên có từ thông trong lõi thép và điện kháng X lớn, làm giảm dòng ngắn mạch. Các công tắc tơ C1, C2 được đặt riêng trong một thùng phụ gắn vào vách thùng dầu của máy để tránh cho dầu máy biến áp khỏi bị bẩn vì đóng cắt mạch điện. Hình 1.41: Thiết bị đổi nối và quá trình điều chỉnh điện áp của MBA dưới tải Hình 1.42: Nguyên lý điều áp dưới tải dùng điện trở 47 Hình 1.42 trình bày sơ đồ nguyên lý của bộ điều áp dưới tải dùng điện trở. Điện trở làm chức năng hạn chế dòng điện ngắn mạch. Hình 1.43 cho ta thấy việc bố trí bộ điều áp dưới tải trong thùng máy biến áp. Hình 1.43: Vị trí bộ điều áp dưới tải trong thùng MBA Ví dụ 1.7. Máy biến áp một pha có các số liệu sau: Sđm = 2500 VA; U1đm = 220 V; U2đm = 127 V; i0 = 4%; P0 = 30 W; un = 5%; Pn = 80 W. Tải R, L có cosϕ2 = 0,8. Hãy xác định hiệu suất và điện áp thứ cấp của máy khi máy làm việc với tải định mức và 50% tải định mức. Giải: ở Ví dụ 1.4 ta đã tính được các thành phần điện áp ngắn mạch phần trăm: 3,2%unr = ; 87,3%unx = . a. Khi máy biến áp làm việc với tải định mức: 1=β a. Độ thay đổi điện áp thứ cấp phần trăm: ∆U% = β(unr%. 2cosϕ + unx%. 2sinϕ ) ∆U% = 1 (3,2x0,8 + 3,87x0,6) = 4,88% b.Điện áp thứ cấp: V8,120100 127.88,4127U UUUUU 2 2dm22202 =−= ∆−=∆−= - Hiệu suất máy biến áp: 8,94100).80.1308,0.5600.1 80.1301(% 100).PPcosS PP1(% 2 2 n 2 02dm n 2 0 = ++ + −=η β++ϕβ β+ −=η b. Khi máy biến áp làm việc với 50% tải định mức: 5,0=β a. Độ thay đổi điện áp thứ cấp phần trăm: 48 ∆U% = β(unr%. 2cos + unx%. 2sin ) ∆U% = 0,5 (3,2x0,8 + 3,87x0,6) = 2,44 b.Điện áp thứ cấp: V9,123100 127.44,2127U UUUUU 2 2dm22202 =−= ∆−=∆−= - Hiệu suất máy biến áp: 8,97100).80.5,0308,0.5600.5,0 80.5,0301(% 100).PPcosS PP1(% 2 2 n 2 02dm n 2 0 = ++ + −=η β++ϕβ β+ −=η Ví dụ 1.8. Máy biến áp ba pha có các số liệu sau đây: Sđm = 5600 kVA; Y/∆-11; U1/U2 = 35000/6600 V; P0 = 18,5 kW; i0 = 4,5%; un = 7,5%; Pn = 57 kW; f = 50 Hz;. Hãy tính: a. Độ thay đổi điện áp ∆U khi tải định mức với cosϕ2 = 0,8. b. Hiệu suất ở tải định mức đó. c. Hệ số tải ứng với hiệu suất cực đại. Giải a. Độ thay đổi điện áp ∆U: Trong Ví dụ 1.5 ta đã tính được: unr%= 1,01% unx%= 7,45% Khi tải có tính chất điện cảm ta có: ∆U% = β(unr%. 2cosϕ + unx%. 2sinϕ ) ∆U% = 1 (1,01x0,8 + 7,45x0,6) = 5,3% Khi tải có tính chất điện dung: sinϕ2 = - 0,6 ∆U% = β(unr%. 2cosϕ + unx%. 2sinϕ ) ∆U% = 1 (1,01x0,8 - 7,45x0,6) = 3,66 b. Hiệu suất của máy biến áp ở tải định mức: 34,98100).57.15,188,0.5600.1 57.15,181(% 100).PPcosS PP1(% 2 2 n 2 02dm n 2 0 = ++ + −=η β++ϕβ β+ −=η c. Hệ số tải ứng với hiệu suất cực đại của máy biến áp: 57,057 5,18 P P n 0 ===β 49 1.4.3. Máy biến áp làm việc song song Trong một trạm biến áp tăng hoặc giảm áp thường đặt 2, 3 hay nhiều máy biến áp làm việc song song tuỳ thuộc vào công suất của trạm. * Việc nối các máy biến áp làm việc song song nhằm đảm bảo: - Cung cấp điện liên tục cho các phụ tải. - Vận hành các máy biến áp một cách kinh tế nhất. - Thuận tiện cho việc chế tạo và vận chuyển các máy biến áp có công suất quá lớn. Các máy biến áp làm việc song song có dây quấn sơ cấp của các máy nối chung vào một lưới điện và dây quấn thứ cấp cùng cung cấp điện cho một phụ tải (Hình 1.44). * Điều kiện ghép các MBA làm việc song song là điện áp thứ cấp của các máy bằng nhau về trị số và trùng pha nhau về góc pha: u2(I) =u2(II) = ...........=u2(n) Muốn đảm bảo điều kiện trên các máy làm việc song song cần có các yêu cầu là: + Cùng tỷ số biến đổi k. + Cùng tổ nối dây. + Cùng điện áp ngắn mạch. Trong thực tế chỉ có điều kiện cùng tổ nối dây phải tuân thủ một cách tuyệt đối, các điều kiện còn lại được thực hiện với một mức độ sai khác nhất định được qui định trong một giới hạn cho phép. (a) U2 x a * * I II MC1 MC2 MC3 MC4 U1 XA * * ** 50 (b) Hình 1.44: Sơ đồ nối đấu các MBA làm việc song song a. máy biến áp 1 pha; b. máy biến áp ba pha 1. Điều kiện cùng tổ nối dây Giả sử hai MBA làm việc song song với tổ nối dây Y/∆ - 11 và Y/Y - 12 có điện áp định mức sơ và thứ cấp giống nhau. Khi S.đ.đ thứ cấp E2 của các pha tương ứng của các máy biến áp này bằng nhau về trị số chúng sẽ lệch pha nhau 300 (Hình 1.45). Trong mạch nối liền các dây quấn thứ của hai máy biến áp sẽ xuất hiện sức điện động ∆E = 2E2sin150 = 0,518E2. Kết quả là ngay khi không tải trong cuộn dây sơ và thứ cấp của các máy biến áp có dòng điện cân bằng: 2n1n cb ZZ EI + ∆ = (1.57) Ví dụ nếu ZnI* = ZnII* = 0,05 thì: 18,505,005,0 518,0Icb = + = Hình 1.45: Sơ đồ điện áp và dòng điện của các MBA có tổ nối dây khác nhau làm việc song song Trị số dòng điện gấp hơn năm lần dòng điện định mức này sẽ làm hỏng máy biến áp. Vì vậy qui định rằng các máy biến áp làm việc song song bắt buộc phải có cùng tổ nối dây. Chú ý: Nếu hai MBA không cùng tổ nối dây ta có thể đưa chúng về cùng tổ nối dây bằng cách quy ước lại thứ tự các pha. C MC3 MC4 * * * * * * * I II A * MC1 * * * * * MC2 * * * * B a b c E∆ ϕ 300 E∆ I2E II2E CII CIII 51 2. Điều kiện cùng tỷ số biến đổi điện áp Nếu tỷ số biến đổi điện áp của hai máy bằng nhau kI = kII thì lúc không tải sự chênh lệch điện áp ở các dây quấn thứ cấp của hai máy là: ∆E = II2I2 EE  − = 0 và trong mạch vòng nối các dây thứ cấp của các máy biến áp sẽ không có dòng điện cân bằng. Nếu tỷ số biến đổi điện áp của hai máy khác nhau kI ≠ kII thì sức điện động thứ cấp của hai máy khác nhau E2 ≠ E1 nên có sự chênh lệch điện áp ở các dây quấn thứ cấp, tức là ∆E ≠ 0. Nên ngay khi không tải ở dây quấn thứ cấp của hai máy đã có dòng điện cân bằng chạy quẩn. Trị số dòng điện cân bằng đó được tính là: nIInI cb ZZ EI + ∆ = Dòng điện cân bằng cbI chạy trong dây quấn thứ cấp của hai máy theo chiều ngược nhau: + ở máy I: dòng điện cân bằng chảy từ x đến a nên dòng điện ở dây quấn thứ cấp của máy thứ I là cbtI2 III  += . + ở máy II: dòng điện cân bằng chảy từ a đến x nên dòng điện ở dây quấn thứ cấp của máy thứ II là cbtII2 III  −= . Khi đó hệ số tải của hai máy sẽ khác nhau: IIdm II II dmI2 I2 Idm I I S S I I S S =β≠==β 52 Như vậy lẽ ra khi làm việc song song hệ số tải của các máy phải bằng nhau nhưng do tỷ số biến đổi k khác nhau mà hệ số tải của chúng khác nhau, làm ảnh hưởng tới sự lợi dụng công suất của các máy (Hình 1.46). Vậy các máy làm việc song song phải có cùng tỷ số biến đổi điện áp k. Thực tế cho phép ∆k = 2/)kk( kk III III + − = 0,5%. 3. Điều kiện cùng điện áp ngắn mạch Xét n MBA làm việc song song, nếu bỏ qua nhánh từ hoá thì mạch điện thay thế như Hình 1.47. U2IU20U2II E 1 2E U 1 U 2 ò s ta to rụ to cbIII cbIInIIIZ  cbInI IZ  II2E I2E ϕn cbIIcbIII II2I I2I tIItI II  = 2U Hình 1.46: Đồ thị véctơ và sự phân phối phụ tải của các MBA làm việc song song a. khi không tải; b. khi có k khác nhau (a) (b) 1I 2U′1U ZnII Znn 2I′II2I′− ZnI Hình 1.47: Mạch điện thay thế của các MBA làm việc song song I2I′− n2I′− Tổng trở tương đương của mạch điện: ∑ = = +++ = n Ii ninnnIInI td Z 1 1 Z 1....Z 1 Z 1 1Z Dòng điện tổng của các máy biến áp: I1 = I2’ = I = tdZ U∆ 53 Trong đó: ∆U = U1 – U2’ Dòng điện tải qua mỗi máy: ∑ == ∆ = ni nI nI td nI I2 Z 1Z I Z IZ Z U'I ∑ == ∆ = ni nII nI td nII II2 Z 1Z I Z IZ Z U'I ∑ == ∆ = ni nn nn td nn n2 Z 1Z I Z IZ Z U'I Giả thiết CosϕnI = CosϕnII = .... = Cosϕnn khi đó coi các dòng tải trùng pha nhau. Mặt khác: dm dmnI nI I UuZ = và ni dmi ni U I Z 1 = nên ∑ = ni dmi dmI dm1nI II2 u I I Uu I'I Nhân cả 2 vế biểu thức trên với dmIdm1 dm1 dmI dm1 IU U S U = ta có: ∑ = ni dmi dmIdm1 dmI dm1nI dm1 dmIdm1 dm1I2 u I.IU.I Uu IU IU U'I hay ∑∑ == ni dmi nI ni dmidm1 nI Idm I u S.u S u IU.u S S S Vậy hệ số tải của máy biến áp I là: ∑ =β ni dmi nI I u S.u S Tương tự tính được hệ số tải của máy thứ n là: ∑ =β ni dmi nn n u S.u S Từ đó có thể kết luận là hệ số tải của các máy biến áp làm việc song song tỷ lệ nghịch với điện áp ngắn mạch của chúng: nnnIInI nIII u 1:...:u 1:u 1:...:: =βββ (1.58) Tức là nếu un của các máy bằng nhau thì β bằng nhau và tải của các máy sẽ phân phối theo tỷ lệ công suất. Ngược lại nếu un của các máy khác nhau thì máy biến áp có un nhỏ sẽ có β lớn (nặng tải) còn máy biến áp có un lớn sẽ có β nhỏ (nhẹ tải 54 hơn). Khi máy biến áp có un nhỏ làm việc ở tải định mức (β = 1) thì máy có un lớn hơn vẫn làm việc non tải (β <1). Kết quả là không lợi dụng hết công suất thiết kế của các máy biến áp. Thông thường máy biến áp có công suất nhỏ thì un nhỏ, công suất lớn thì un lớn. Như vậy công suất các máy biến áp càng khác nhau quá nhiều thì khi làm việc song song càng không lợi. Cho nên theo quy định un của các máy biến áp làm việc song song không được khác nhau quá %10± và tỉ lệ công suất các máy vào khoảng 3:1. Ví dụ 1.9. Cho ba máy biến áp 3 pha có cùng tổ nối dây và cùng tỷ số biến đổi với các số liệu: Sđm1= 180 kVA; SđmII= 240 kVA; SđmIII= 320 kVA; unI% = 5,4; unII% =6; unIII% = 6,6. Hãy: a. Xác định tải của mỗi máy biến áp khi tải chung của các MBA bằng tổng công suất định mức của chúng S = 180 + 240 + 320 = 740 kVA. b. Tính tải chung tối đa để không MBA nào bị quá tải. Giải a. Ta có: 8,1216,6 320 6 240 4,5 180 u S ni dmi =++=∑ KVA202,51,125.180.SS1,1255,4.121,8 740 u Su S dmIII ni dmi n1 I ===→===β ∑ β KVA243240.05,1S.S01,18,121.6 740 u Su S dmIIIIII ni dmi nII II ==β=→===β ∑ KVA5,294320.92,0S.S92,08,121.6,6 740 u Su S dmIIIIIIIII ni dmi nIII III ==β=→===β ∑ b. Ta thấy...dây quấn A) vớ i tốc độ n thì tần số của sức điện động, dòng điện cảm ứng ở rôto do từ trư ờng quay thuận ΦA sinh ra sẽ là: 1 1 111 A2 sfn60 )nn(pn 60 )nn(p f = − = − = (3.74) Còn đối vớ i từ trư ờng quay ngư ợ c ΦB thì tần số đó sẽ là: 1 1 1111 B2 f)s2(n )nn(n2 60 pn 60 )nn(p f −= −− = + = (3.75) ở đây (2-s) chính là hệ số trư ợ t của rôto đối vớ i từ trư ờng ΦB. Như vậy: - Khi 0 < s < 1 đối vớ i từ trư ờng ΦA máy làm việc ở chế độ động cơ điện, còn đối vớ i từ trư ờng ΦB, do hệ số trư ợ t của rôto đối vớ i từ trư ờng đó bằng 2 - s > 1, nên máy làm việc ở chế độ hãm. ∼ 1 pha ΦA ΦB Φ (a) ΦA ΦB (b) ∼ 3 pha A B Hình 3.42: Nguyên lý làm việc của Đ CĐ không đồng bộ một pha 154 - Khi 1 < s < 2, tức là khi rôto quay theo chiều của từ trư ờng dây quấn B thì hệ số trư ợ t đối vớ i từ trư ờng này sẽ là 0 < 2 - s < 1, lúc này đối vớ i từ trư ờng ΦB máy làm việc ở chế độ động cơ điện, còn đối vớ i từ trư ờng ΦA thì ở chế độ hãm. Gỉa sử các mômen có trị số dư ơng khi chúng tác dụng theo chiều quay của từ trư ờng ΦA, ta sẽ đư ợ c các đư ờng cong mômen MA và MB của các dây quấn A, B và mômen tổng như hình 3.43. Từ hình 3.43, ta thấy: - Các đư ờng đặc tính mômen của máy điện không đồng bộ một pha có tính chất đối xứng nên động cơ có thể quay bất cứ chiều nào. Chiều quay thực tế của động cơ điện một pha chủ yếu phụ thuộc vào chiều quay của bộ phận mở máy. - Năng lực quá tải của động cơ điện một pha nhỏ hơn của động ơ điện ba pha - Mômen cực đạ i Mmax của động cơ điện một pha phụ thuộc vào điện trở rôto. Khi điện trở rôto tăng lên MAmax do từ trư ờng thuận sinh ra không đổi như ng hệ số trư ợ t sAm ứng vớ i MAmax tăng lên và MB do từ trư ờng nghịch sinh ra lạ i tăng lên nên mômen cực đạ i Mmax của động cơ nhỏ đi. 3.8.3. Phương pháp mở máy và các loại động cơ điện một pha Như chúng ta đã biết, nếu chỉ có dây quấn chính nối vào lư ớ i điện thì từ trư ờng trong dây quấn một pha là từ trư ờng đập mạch, nên động cơ điện không đồng bộ một pha không thể tự mở máy đư ợ c vì khi s = 1 thì M = 0. Muốn động cơ tự mở máy thì từ trư ờng trong máy phải là từ trư ờng quay hoặc ít nhất từ trư ờng quay ngư ợ c ΦB phải yếu hơn so vớ i từ trư ờng quay thuận ΦA . Đ ể tạo ra từ trư ờng quay khi mở máy có thể dù ng vòng ngắn mạch hoặc dây quấn phụ và phần tử mở máy. 1. Các phương pháp mở máy a. Dùng dây quấn phụ ở loạ i động cơ này, ngoài dây quấn chính còn có dây quấn phụ. Dây quấn phụ đư ợ c thiết kế để chỉ làm việc khi mở máy hoặc làm việc lâu dài (động cơ điện hai pha). M MA MB 1 1 0 2 2 0 s 2 - s M Hình 3.43: Đ ặc tính M = f(s) của động cơ điện KĐ B một pha 155 Dòng điện ở dây quấn chính và dây quấn phụ sinh ra từ trư ờng quay để tạo ra mômen mở máy. Tốt nhất dây quấn phụ đặt lệch pha so vớ i dây quấn chính một góc 900 trong không gian trên mạch từ stato và dòng điện trong hai dây quấn đó phải lệch pha nhau một góc 900 về thời gian. Đ ể tạo ra góc lệch pha giữa các dòng điện trong các dây quấn ngư ời ta thư ờng dù ng phần tử mở máy có thể là điện trở, cuộn dây hoặc tụ điện, tụ điện mắc nối tiếp trong mạch dây quấn phụ. Phần tử mở máy đư ợ c dù ng phổ biến nhất là tụ điện vì dù ng tụ động cơ có mômen mở máy lớ n, hệ số công suất cosϕ cao và dòng điện mở máy tư ơng đối nhỏ. b. Dùng vòng ngắn mạch Vòng ngắn mạch F đóng vai trò cuộn dây phụ F chiếm khoảng một phần ba cực từ. Khi đặt một điện áp vào cuộn dây chính để mở máy, dòng điện trong dây quấn sẽ sinh ra một từ trư ờng đập mạch ΦC. Một phần của ΦC là CΦ′ sẽ đi qua F và sinh ra sức điện động cảm ứng và dòng điện In trong F, nếu bỏ qua tổn hao trong vòng ngắn mạch thì nΦ sẽ trù ng phư ơng vớ i In. nΦ tá c dụng vớ i c'Φ sinh ra Φf = Φn + CΦ′ lệch pha so vớ i phần từ thông còn lạ i cc Φ′−Φ . Do đó, sẽ sinh ra một từ trư ờng gần giống từ trư ờng quay và cho một momen mở máy đá ng kể. 2. Phân loại động cơ điện không đồng bộ một pha Đ ộng cơ điện một pha có thể phân làm các loạ i sau: - Đ ộng cơ điện một pha có vòng ngắn mạch. - Đ ộng cơ điện một pha mở máy bằng điện trở. - Đ ộng cơ điện một pha mở máy bằng điện dung. - Đ ộng cơ điện một pha kiểu điện dung: + Có điện dung làm việc. + Có điện dung làm việc và mở máy. a. Động cơ điện một pha có vòng ngắn mạch Kết cấu của động cơ điện loạ i này đơn giản hơn những loạ i động cơ điện khác. stato không có rãnh mà có dạng cực lồi (Hình 3.44a) đư ợ c ghép từ các lá thép kỹ thuật điện. Các các cực stato đặt các bối dây của cuộn dây một pha. Các cực stato chia thành hai phần không bằng nhau, phần nhỏ đư ợ c bao bọc bởi vòng ngắn mạch, thư ờng là một vòng dây ngắn mạch. Rôto của động cơ có dạng lồng sóc thông thư ờng. 156 Hình 3.46: Mở máy bằng điện dungHình 3.45: Mở máy bằng điện trở Đ ộng cơ một pha có vòng ngắn mạch có như ợ c điểm là hệ số công suất cosϕ và hiệu suất η thấp vì tổn hao ở rôto lớ n, mômen nhỏ nên làm việc kém ổn định, khả năng quá tải kém. b. Động cơ một pha điện trở mở máy Đ ể làm cho dòng điện trong cuộn phụ (cuộn mở máy MM) lệch pha so vớ i dòng điện trong cuộn chính (cuộn làm việc LV) ngư ời ta nối thêm một điện trở hay điện cảm vào cuộn dây phụ (Hình 3.45). Mômen mở máy của loạ i động cơ này tư ơng đối nhỏ. Trong thực tế chỉ cần tính toán sao cho bản thân dây quấn phụ có điện trở tư ơng đối lớ n là đư ợ c (dù ng bối dây chập ngư ợ c) không cần nối thêm điện trở ngoài. Đ ộng cơ khởi động như động cơ hai pha không đối xứng. Khi rôto đạ t đến tần số quay nhất định cuộn phụ đư ợ c ngắt ra khỏi nguồn và động cơ chuyển sang chế độ một pha vớ i cuộn dây chính đư ợ c nối vớ i điện áp nguồn. Việc ngắt nguồn cuộn dây phụ đư ợ c tiến hành tự động có thể dù ng chốt li tâm đặt trên trục động cơ hoặc dù ng rơle chuyên dụng có cuộn dòng đặt trong mạch của cuộn dây chính. Vì khi làm việc chỉ cuộn dây chính đư ợ c nối vớ i nguồn nên để sử dụng động cơ tốt hơn thư ờng để 2/3 số rãnh trên stato cho cuộn chính, cuộn phụ chỉ chiếm 1/3 số rãnh trên stato. c. Động cơ một pha có điện dung mở máy (hình 3.46) Đ ộng cơ loạ i này thư ờng đư ợ c sử dụng trong các trư ờng hợ p yêu cầu đối vớ i đặc tính mở máy cao: dòng điện mở máy nhỏ và mômen mở máy lớ n. F + + cc Φ′−Φ  cΦ cΦ′nΦ fΦ (a) (b) Hình 3.44: Đ ộng cơ KĐ B 1 pha có vòng ngắn mạch A: 157 Nối tụ điện vào dây quấn phụ ta đư ợ c kết quả tốt hơn. Có thể chọn trị số tụ điện sao cho khi s = 1 thì dòng điện trong dây quấn phụ lệch pha so vớ i dòng trong dây quấn chính 900 và dòng điện của các dây quấn đó có trị số sao cho từ trư ờng do chúng sinh ra bằng nhau. Như vậy khi mở máy động cơ sẽ cho một từ trư ờng quay tròn. Đ ộng cơ mở máy như động cơ hai pha không đối xứng. Khi rôto đạ t đến tần số quay nhất định cuộn phụ đư ợ c ngắt ra khỏi nguồn và động cơ chuyển sang chế độ một pha vớ i cuộn dây chính đư ợ c nối vớ i điện áp nguồn. Cuộn phụ đư ợ c đóng cắt tự động, trư ờng hợ p không ngắt đư ợ c cuộn khởi động khỏi nguồn động cơ sẽ bị quá nhiệt và dẫn đến cháy. Cũng như loạ i động cơ điện trở mở máy cuộn chính chiếm 2/3 số rãnh trên stato cho, cuộn phụ chỉ chiếm 1/3 số rãnh trên stato. d. Động cơ điện một pha kiểu điện dung: Như ợ c điểm chung của các loạ i động cơ trên là chúng có các chỉ số năng lư ợ ng tư ơng đối thấp, bởi vì chế độ làm việc chỉ có một dây quấn chính đư ợ c nối vớ i nguồn nên tạo từ trư ờng đập mạch không phải là từ trư ờng quay. Trong trư ờng hợ p cần chỉ số năng lư ợ ng cao và đặc tính mở máy tốt ngư ời ta thư ờng sử dụng động cơ vớ i tụ điện khởi động và tụ điện làm việc. Ta có thể để nguyên dây quấn mở máy có tụ điện nối vào lư ớ i điện khi động cơ đã làm việc. Nhờ vậy động cơ điện đư ợ c coi như động cơ điện hai pha (hình 3.47a). Loạ i này có đặc tính làm việc tốt, năng lực quá tải lớ n, hệ số công suất của máy đư ợ c cải thiện. Như ng trị số điện dung có lợ i nhất cho mở máy lạ i thư ờng quá lớ n đối vớ i chế độ làm việc, vì thế trong một số trư ờng hợ p khi mở máy kết thúc phải cắt bớ t trị số của tụ điện ra bằng công tắc ly tâm (Hình 3.47b). 3.8.4. Sử dụng động cơ điện 3 pha vào lưới điện 1 pha Có nhiều trư ờng hợ p ngư ời ta sử dụng động cơ ba pha ở lư ớ i điện một pha. Lúc đó chỉ cần đặt điện áp một pha vào hai dây quấn pha nối tiếp, dây quấn pha còn lạ i nối thêm tụ điện làm thành dây quấn phụ để mở máy và tăng cư ờng mômen lúc mở máy. Hình 3.47: Đ ộng cơ 1 pha kiểu điện dung (a) (b) 158 N L1 U1 U2 W2 W1 V1 V2 C2 M a) Hình 3.48. Đ ộng cơ ba pha làm việc ở lư ớ i điện một pha 1. Điện áp nguồn bằng điện áp pha của động cơ - Sơ đồ hình 3.48a có: + Đ iện áp nguồn bằng điện áp pha của động cơ U = Uf. + Đ iện dung làm việc của tụ điện F U I 4800C flv à= . + Đ iện áp làm việc của tụ: UC= U. - Sơ đồ hình 3.48b có: + Đ iện áp nguồn bằng điện áp pha của động cơ U = Uf. + Đ iện dung làm việc của tụ điện F U I 1600C flv à= . Cách đấu dây theo sơ đồ hình 3.48b có ư u điểm hơn sơ đồ hình 3.48a mômen mở máy lớ n hơn, lợ i dụng công suất khá , điện dung của tụ nhỏ hơn, như ng điện áp trên tụ lớ n hơn. 2. Khi điện áp nguồn điện 1 pha bằng điện áp dây của động cơ 3 pha. Có thể đấu dây theo sơ đồ sau Hình 3.49: Đ ộng cơ điện ba pha làm việc ở lư ớ i điện một pha a) 159 - Sơ đồ hình 3.49a: U = Ud FU I 2800C flv à= UUc ≈ -Sơ đồ hình 3.49b: U = Ud FU I 2740C flv à= U15,1Uc ≈ 3.9. Máy điện không đồng bộ đặc biệt 3.9.1. Máy dịch pha Máy dịch pha là một loạ i máy điện có thể tạo nên một sức điện động E2 ở phía thứ cấp vớ i một góc lệch pha tuỳ ý vớ i điện áp sơ cấp U1. Về kết cấu giống như máy điện không đồng bộ rôto dây quấn như ng rôto bị giữ chặt bởi một hệ thống vít vô tận làm cho rôto không thể quay tự do đư ợ c mà chỉ có thể quay một góc nhất định theo sự điều khiển từ ngoài. Máy thư ờng là loạ i 3 pha (Hình 3.50). Dây quấn stato nối vớ i nguồn điện làm thành phần sơ cấp của máy và sinh ra từ trư ờng quay. Dây quấn rôto làm thành phần dây quấn thứ cấp, thông qua vành trư ợ t nối vớ i tải Máy dịch pha làm việc theo nguyên lý của máy điện không đồng bộ lúc rôto đứng yên. Khi dây quấn stato nối vớ i nguồn điện thì có dòng điện chạy trong đó và sinh ra từ trư ờng quay trong khe hở. Từ trư ờng này sinh ra trong dây quấn rôto và stato một sức điện động E1 và E2 mà trị số tỷ lệ vớ i số vòng dây tác dụng của các dây quấn, còn góc pha phụ thuộc vào E1 E2 U1 β stato roto U2 22 UE  = 1U 1E− 1E 0 Hình 3.50: Máy dịch pha a. sơ đồ nguyên lý; b. đồ thị véc tơ (b) (a) 160 vị trí tư ơng đối của chúng. Vìba pha là đối xứng nên ta có thể lấy ra một pha để nghiên cứu. Giả sử góc giữa pha A của dây quấn stato và pha a của dây quấn rôto bằng 0. Sau đó quay pha A đi một góc β (Hình 3.50a) theo chiều của từ trư ờng quay φ thì E2 sẽ chậm sau E1 một góc β. Căn cứ vào mạch điện thay thế(tư ơng tự như máy điện không đồng bộ) và bỏ qua điện áp rơi trên tổng trở, ta có: . 1 . 1 EU −≈ β− =−≈ j 12 . 1 . 2 . 2 ek EEU (3.76) Trong đó: k12 là tỷ số biến đổi điện áp. Đ ồ thị véc tơ của máy dịch pha như hình 3.50b. Căn cứ vào phân tích trên ta nhận thấy điện áp ở mạch thứ cấp của máy dịch pha về trị số không đổi mà chỉ thay đổi về góc pha. Máy dịch pha đư ợ c dù ng trong các thiết bị thí nghiệm. 3.9.2. Máy điều chỉnh cảm ứng Máy điều chỉnh cảm ứng là một loạ i máy biến áp dựa trên nguyên lý làm việc của máy điện không đồng bộ ba pha rôto dây quấn vớ i rôto đứng yên. Kết cấu của máy điều chỉnh cảm ứng giống như máy dịch pha, chỉ khác là dây quấn stato và rôto ngoài sự liên hệ về từ còn có sự liên hệ về điện như trong máy biến áp tự ngẫu hai dây quấn. Máy điều chỉnh cảm ứng có hai loạ i: loạ i đơn và loạ i kép. 1. Máy điều chỉnh cảm ứng đơn Sơ đồ nguyên lý của máy như ở hình 3.51a.Theo cách đấu của dây quấn, lấy một pha ra nghiên cứu ta có: )e k 11(Ue k UUEUU j 12 1 j 12 1 1212 α−α− −=−≈+=  (3.77) Đ ồ thị véc tơ tư ơng ứng đư ợ c trình bày trên hình 3.51b. Như vậy vớ i góc α bất kỳ, nếu chỉ xét vềtrịsố, ta có: α−+= cos k 2 k 11UU 12 2 12 12 Khi α = 0 thì ) k 11(UU 12 1min2 −= (3.78) 161 Và khi α = 1800 có ) k 11(UU 12 1max2 += Cần chú ý là điều chỉnh trị số của U2, góc phaβ của nó đối vớ i U1 cũng thay đổi một ít. Công suất chuyển đổi trong máy điều chỉnh cảm ứng giống như máy biến áp tự ngẫu. Máy điều chỉnh cảm ứng không có chổi than, nên công suất máy có thể lớ n, làm việc chắc chắn, điều chỉnh đư ợ c điện áp bằng phẳng và có thể điều chỉnh lúc có tải. Như ợ c điểm chủ yếu của loạ i máy này là giữa 1 . U và 2 . U có góc lệch pha và khi máy làm việc, trên rôto có mômen điện từ lớ n kéo về vị trí hai dây quấn stato và rôto trù ng trục nên phải có bộ phận hãm giữ không cho rôto quay. Đ ể khắc phục hai như ợ c điểm của loạ i máy này ta dù ng máy điểu chỉnh cảm ứng kép. 2. Máy điều chỉnh cảm ứng kép Máy này gồm hai máy điều chỉnh cảm ứng đơn 1 và 2 ghép lạ i và rôto của hai máy đư ợ c nối chặt vớ i nhau về cơ khí. Dây quấn đư ợ c nối theo sơ đồ nguyên lý như hình 3.52a. Theo hình vẽ ta thấy ở máy 2 thứ tự pha ngư ợ c vớ i máy 1 nên giữa hai máy từ trư ờng quay ngư ợ c chiều nhau, do đó góc pha giữa E2 vớ i E1 trong hai máy bao giờ cũng ngư ợ c nhau bất kể rôto quay theo chiều nào. Theo đồ thị véctơ ở hình 3.52b, ta có điện áp đầu ra bằng : )]ee( k 11[UEEUU jj 12 12212 α−α− +−≈′′+′+=  (3.79) W2 W1 E2 E1 U1 U2 U2max U2min 1E 1U 2E (a) (b) Hình 3.51: Máy điều chỉnh cảm ứng đơn a. sơ đồ nguyên lý; b. đồ thị véc tơ 162 Hình 3.52: Máy điều chỉnh cảm ứng kép a. sơ đồ nguyên lý; b. đồ thị véc tơ Khi α = 0 thì ) k 21(UU 12 1min2 −= (3.80) Và khi α = 1800 có ) k 21(UU 12 1max2 += Góc pha U2 luôn luôn trù ng vớ i U1, còn mômen điện từ sinh ra ở hai đầu máy điều chỉnh cảm ứng đơn bằng nhau và ngư ợ c chiều nên trên trục máy không chịu mômen nào cả. 3.9.3. Máy biến đổi tần số Máy điện không đồng bộ rôto dây quấn có thể dù ng làm máy biến đổi tần số từ tần số f1 sang tần số f2. Nghiên cứu trư ờng hợ p f2 > f1.Dây quấn stato đư ợ c nối vào lư ớ i điện tần số f1. Rôto đư ợ c một động cơ sơ cấp Đ kéo và quay vớ i tốc độ ngư ợ c chiều vớ i từ trư ờng quay, do đó tần số của suất điện động cảm ứng ở dây quấn rôto bằng: ở máy biến đổi tần số, dây quấn rôto nhận năng lư ợ ng từ hai phía. Một phần từ Đ Pcơ n BT P1 f1 P2 f2 Hình 3.53: Sơ đồ máy biến đổi tần số f2 = s f1 Trong đó : 1 n nnS 1 1 > + = p f n 11 60 = n1 là tốc độ đồng bộ; p làsố đôi cực của máy. U1 U2stato stato roto roto W2 W1 ' 2E ''2E ' 1E '' 1E (a) (b) W1 W2 2E ′′2E′ 2 . U 1 . U 163 stato chuyển qua nhờ từ trư ờng quay và một phần từ động cơ sơ cấp Đ đư ợ c truyền qua theo trục của rôto. Công suất của dây quấn rôto là: P2 = m1sE2I2cos ψ2 Trong đó: m2 và E2 là số pha và sức điện động của rôtô khi đứng yên . Công suất điện từ chuyển từ stato sang rôto là: Pđt = m2E2I2cos ψ2 Khi s > 1 thì P2 > Pđt nên máy lấy công suất từ trục động cơ sơ cấp Đ vào và công suất cơ đó là: Pcơ = P2 - Pđt = m2 ( s - 1) E2I2 Máy biến đổi tần số thư ờng dù ng để cung cấp dòng điện tần số f2 từ 100 đến 200 Hz dù ng trong công nghiệp. Ngày nay, vớ i sự phá t triển của điện tử công suất ứng dụng đã chế tạo ra các bộ biến đổi trực tiếp tần số lư ớ i điện đư a và điều chỉnh tốc độ động cơ, dải tần chỉnh tần số trong phạm vi rộng và có thể lập đư ợ c, độ chính xác cao đã đư a vào trong công nghiệp và thay thế cho máy biến đổi tần số, khắc phục đư ợ c hạn chế của máy biến đổi tần số. 3.9.4. Máy điện không đồng bộ làm việc trong hệ thống tự đồng bộ (xenxin) Máy điện không đồng bộ làm việc trong hệ thống tự đồng bộ gồm nhiều má y đặt cách nhau (có thể xa) và chỉ nối vớ i nhau bằng điện. Khi một trong những máy đó (gọi là máy phá t) quay bất kì một góc nào đó thì những máy khác (máy thu) cũng quay một góc như vậy. Hệ thống này thư ờng dù ng trong kỹ thuật khống chế và đo lư ờng. Những máy điện này thuộc loạ i ba pha và một pha. Hệthống tự đồng bộ đang đư ợ c áp dụng rộng rã i trong ngành tự động hoá và điều khiển. 1. Hệ tự đồng bộ ba pha (xenxin 3 pha) Hệ tự động bộ ba pha đơn giản nhất gần hai máy không đồng bộ rôto dây quấn. Dây quấn stato của chúng đư ợ c nối vớ i lư ớ i điện còn dây quấn rôto đư ợ c nối vớ i nhau theo đúng thứ tự pha (hình 3.54). Như vậy, nếu ở hai máy vị trí của rôto đối vớ i stato giống nhau thì trong mạch rôto sức điện động E2 của chúng ngư ợ c nhau và dòng điện trong mạch rôto I2 trong mạch sẽ bằng không. 164 θ Hình 3.54: Sơ đồ nguyên lý của xenxin 3pha Hình 3.55: Đ ồ thị véc tơ của xenxin 3 pha khi quay rôto máy phá t đi một góc Gọi F là máy phá t tín hiệu và T là máy thu tín hiệu thì khi có tín hiệu tác động vào máy F làm quay rôto của nó đi một góc θ (Hình 3.54) thì giữa các sức điện động F2E và T2E sẽ có góc lệch θ và do đó trong mạnh rôto sẽ xuất hiện dòng điện 2I: T2F2 T2F2 2 zz EEI + + =  Trong đó z2F và z2T là tổng trở rôto của máy phá t và máy thu. Qua đồ thị véc tơ ở hình 3.55 ta thấy thành phần tác dụng của dòng I2 cù ng chiều vớ i do đó lực điện từ 'tf và mômen của máy thu MT sinh ra sẽ làm quay rô to của máy thu đi một góc θ. Hệ thống hai máy trên sẽ làm việc cân bằng khi góc lệch pha của 2 máy phá t và thu bằng nhau. Vì vậy khi giữ rôto của máy phá t F ở góc θ thì rôto của máy thu T cũng sẽ quay một góc đúng bằng θ. Sự liên lạc như thế nhiều khi ngư ời ta còn gọi là sự liên lạc kiểu trúc điện. 2. Hệ tự đồng bộ một pha (xenxin một pha) Xenxin một pha là máy điện cảm cảm ứng nhỏ, có cuộn dây một pha kích thích và cuộn dây đồng bộ hoá ba pha . Sơ đồ xenxin một pha tiếp xúc vớ i cuộn kích thích trên stato và cuộn đồng bộ hoá ba pha trên roto. Trong các sơ đồ tự động, thư ờng sử dụng hai hệ thống truyền góc. Hệ thống chỉ thị đư ợ c sử dụng ở những nơi mà trục nhận góc quay (xenxin thu) có tải nhỏ. Trong hệ thống chỉ thị, xenxin thu tự tạo ra góc quay tư ơng ứng vớ i góc mà xenxin phá t đặt. Hệ thống liên lạc đư ờng bộ biến áp đư ợ c sử dụng ở những nơi mà trục nhận góc quay(xenxin thu) có mômen cản lớ n, trong trư ờng hợ p này xenxin thu không tự tạo ra góc quay do xenxin phá t đặt, mà nhờ một động cơ chấp hành. )( 222 . TF xxIj +− )( 222 . TF xxIj + 2 . I TU 2 . TE 2 . FU 2 . FE 2 . . E∆ 165 ở hệ tự đồng bộ một pha, stato của máy phá t và máy thu chỉ có một pha nối vớ i lư ớ i điện chung như ng rôto của hai máy vẫn là dấy quấn ba pha đấu vớ i nhau đúng theo thứ tự pha (Hình 3.56). Khi cho dòng điện một pha vào dây quấn stato thì trong khe hở sinh ra từ trư ờng đập mạch. Ta có thể phân từ trư ờng đó làm hai từ trư ờng quay ngư ợ c chiều nhau ФAvà ФB và ta coi như có hai hệ thống đồng bộ ba pha hợ p lạ i. Như vậy có thể dù ng nguyên lý làm việc của hệ ba pha tìm ra mômen từng phần và mômen tổng. E aF E bF E cF E bT cT aT E E θ θ TF U1 Hình 3.56. Sơ đồ nguyên lý của xenxin một pha Quay rôto máy phá t F theo chiều của ФAF một góc θ như hình 3.56. Đ ối vớ i phân lư ợ ng từ trư ờng quay ngư ợ c ФAF và ФAT mômen MAF và MAT có khuynh hư ớ ng kéo 2 roto về cù ng một vị trí. Đ ối vớ i phân lư ợ ng từ trư ờng quay ngư ợ c ФBF và ФBT cũng như vậy, vì vậy mômen do hai phân lư ợ ng từ trư ờng sinh ra trên mỗi máy cù ng chiều nên trị số tuyệt đối của chúng là tổng của hai mômen của từng phân lư ợ ng nên làm trục quay. Như vậy nếu quay rôto của máy phá t một góc θ thì rôto máy thu cũng quay đi một góc θ. Thư ờng ngư ời ta đặt dây quấn sơ cấp một pha trên rôto còn dây quấn thứ cấp ba pha lắp trên stato, như vậy giảm đi đư ợ c vành trư ợ t. Đ ể có đặc tính mômen tốt, dây quấn một pha thư ờng lắp trên cực cực từ lồi. Ngày nay ngư ời ta đã chế tạo những xenxin một pha không vành trư ợ t. 3.9.5. Động cơ thừa hành không đồng bộ Đ ộng cơ thừa hành không đồng bộ đư ợ c dù ng rộng rã i trong hệ thống tự động khống chế. Đ ây là một loạ i động cơ điện không đồng bộ hai pha công suất 0,1ữ300 W. Stato ghép bằng thép lá kỹ thuật điện, có hai cuộn dây đặt lệch nhau 900, trong đó một cuộn WK làm nhiệm vụ kích thích, một cuộn WĐ K làm nhiệm vụ điều khiển. 166 Rôto gồm nhiều loạ i theo yêu cầu cụ thểcó thể là rôto lồng sóc thư ờng hoặc rôto rỗng làm bằng vật liệu không dẫn từ hoặc rôto rỗng làm bằng vật liệu dẫn từ có dá t đồng thau ngoài bề mặt Đ ể tạo nên từ trư ờng quay trong máy, ngoài việc đặt hai dây quấn trong không gian còn cần có sự lệch pha nhau về thời gian giữa hai dòng điện trong cuộn dây WK và WĐ K.Yêu cầu này đư ợ c thực hiện nhờ đặt một tụ điện nối tiếp trên quận kích thích WK. Dây quấn kích thích WK đư ợ c đặt thư ờng trực dư ớ i điện áp UK, dây quấn điều khiển WĐ K thì chờ nhận tín hiệu điều khiển từ ngoài đư a vào. Khi có tín hiệu, nghĩa là có điện áp UĐ K đặt lên cuộn WĐ K, trong máy sẽ có từ trư ờng quay do hai dòng điện lệch pha nhau trong hai cuộn dây quấn WKvà WĐ K sinh ra và làm cho rôto quay. Hình 3.57: Sơ đồ nguyên lý động cơ thừa hành không đồng bộ Đ ộng cơ thừa hành không đồng bộ cũng như các loạ i động cơ thừa hành khác thư ờng đòi hỏi những yêu cầu sau: - Không có quán tính, nghĩa là phải quay hoặc dừng tức khắc khi có hoặc mất tín hiệu điều khiển mà không nhờ một cơ cấu hãm. - Mômen mở máy lớ n. - Đ ặc tính cơ tuyến tính. - Phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng. - Công suất điều khiển nhỏ. Yêu cầu không quay theo đà là một trong những yêu cầu cơ bản nhất của động cơ thừa hành. Đ ể thực hiện đư ợ c điều này, ngư ời ta có thể thiết kế động cơ có khả năng tự hãm về phư ơng tiện điện từ hoặc chế tạo động cơ thừa hành có mômen quán tính phần quay nhỏ, như loạ i động cơ thừa hành không đồng bộ rôto rỗng. Rôto của loạ i động cơ rỗng hình cốc này thư ờng làm bằng nhôm hoặc đuyara. Dòng điện trong rôto là dòng điện xoay chiều cảm ứng trên mặt ngoài của cốc nhôm hoặc duyara đó. Đ ộng cơ thừa hành này có mômen quán tính nhỏ, như ng khe hở không khí lớ n (δ = 0,3 đến 0,4 mm) nên dòng điện từ hóa lớ n, cosφ thấp, hiệu suất thấp, trọng lư ợ ng lớ n. 3.9.6. Máy phát tốc độ Máy phá t tốc độ không đồng bộ cũng như các loạ i máy phá t tốc độ khác làm nhiệm vụ biến đổi các tín hiệu cơ (thư ờng là tốc độ quay của trục) sang các tín hiệu điện (thư ờng là điện áp) để đo tốc độ quay của một động cơ hoặc biến bổi các tín hiệu (gia tốc, ổn định) trong các cơ cấu tự động. 167 Hình 3.58: Nguyên lý làm việc của máy phá t tốc KĐ B Máy phá t tốc không đồng bộ có cấu tạo gần giống động cơ chấp hành không đồng bộ rôto rỗng không dẫn từ. Trên stato đặt hai cuộn dây lệch pha nhau trong không gian góc 900 điện. Trên hình 3.58a, WK là cuộn dây kích thích đư ợ c nối vớ i điện áp nguồn, WF là cuộn dây phá t, đư a điện áp ra của máy phá t tốc. Khác vớ i rôto của động cơ chấp hành, để đảm bảo điện trở lớ n và ít thay đổi theo nhiệt độ, thì rôto của máy phá t tốc không đồng bộ đư ợ c chế tạo từ hợ p kim constantan, mâgnin. Đ ể giảm ảnh hư ởng của khe hở không khí không đều và sự không đối xứng của rôto lên đặc tính ra, máy phá t tốc không đồng bộ không bao giờ chế tạo vớ i 2 cực từ, thư ờng có hai đôi cực 2p=4. * Nguyên lý làm việc của má t phá t tốc lý tư ởng như sau: Khi rôto đứng yên (n=0 ): khi cho cho dòng điện kích thích xoay chiều một pha tần số f1 vào dây quấn WK, trong máy xuất hiện một từ trư ờng đập mạch ФK vớ i tần số f1 có phư ờng trù ng vớ i trục của dây quấn WK. Trong hình trụ của rôto rỗng đang đứng yên xuất hiện s.đ.đ và dòng điện xoay chiều vớ i tần số f1 giống như máy biến áp. Chiều của từ trư ờng đập mạch ФI do dòng điện đó sinh ra đư ợ c vẽ ở hình 3.58.Khi rôto đứng yên, do trục của cuộn dây vuông góc vớ i trục của dây WK, nghĩa là vuông góc vớ i phư ơng của ФK vàФI nên trong cuộn WF không xuất hiện sức điện động. Khi rôto quay (n khác 0): trong rôto sẽ cảm ứng thêm một sức điện động quay eq do từ trư ờng ФK quét qua rôto sức điện động eq này tỉ lệ vớ i tốc độ của rôto và sinh ra dòng điện Iq mà chiều đư ợ c xác định như trong hình 3.58b. Vì ФK vàФI đập mạch vớ i tần số f1 nên sức điện động eq và dòng điện Iq cũng biến đổi vớ i tần số f1. 168 Dòng điện Iq tạo ra từ trư ờng Фq đập mạch qua cuộn dây WK và cảm ứng trong đó một s.đ.đ xoay chiều eF có tần số f1 và độ lớ n tỷ lệ vớ i tốc độ quay n. Như vậy ở đầu ra của dây quấn WF sẽ nhận đư ợ c điện áp UF tần số f1 tỷ lệ vớ i tốc độ n. Quan hệ UF = f(n) đư ợ c thể hiện trên hình 3.59. Hình 3.59: Quan hệ UF = f(n) Trên thực tế, khi máy phá t tốc có tải phản ứng của dòng điện trong rôto gây nên sự biến dạng của từ trư ờng và sự thay đổi các thông số của máy. Hiện tư ợ ng này gây nên sai số về trị số mà làm mất tính chất tuyến tính của UF = f(n) nhất là khi tốc độ cao. Vì vậy máy phá t tốc độ không đồng bộ hiện đạ i thư ờng dù ng để đo tốc độ trong phạm vi 8000 ữ 10000 vg/ph vớ i ΔUF = 5 ữ 10 V. 3.9.7. Máy biến áp xoay Máy biến áp xoay là một thiết bị điện làm việc theo nguyên lý về cảm ứng điện từ. Máy biến áp xoay có thể cho ra một điện áp thay đổi theo góc xoay α của rôto. Máy biến áp xoay có cấu trúc rất đa dạng, như ng phổ biến nhất là máy biến áp xoay hai cực, chế tạo tư ơng tự như động cơ không đồng bộ rôto dây quấn công suất nhỏ. Trên stato và rôto có đặt dây quấn hai pha đối xứng lệch nhau trong không gian 900 điện. Đ iện áp đầu ra của máy biến áp xoay có thể tỉ lệ vớ i sinα, cosα hoặc vớ i bản thân góc α của rôto. Nhờ vậy trong các điều kiện nhất định biên độ của sức điện động cảm ứng trong cuộn thứ cấp cũng biến đổi theo quy luật tư ơng tự. Có thể phân loạ i máy biến áp xoay như sau: + Máy biến áp xoay sin-cos, ua= Umsinα, ub = Umsinα. + Máy biến áp xoay tuyến tính, u = k.α vớ i k = const. Máy biến áp xoay có thể thực hiện đư ợ c các hàm số khác nhau, đặc tính của nó phụ thuộc vào sơ đồ nối dây. Máy biến áp xoay đư ợ c sử dụng trong các hệ thống tự động thực hiện các phép tính hình học và lư ợ ng giác nhằm biến đổi hệ toạ độ, phân tích dựng véc tơ. Trong hệ tự động động cơ chúng sử dụng để đo giá trị sai lệch của vị trí nhất định. Trong các máy tính, các sơ đồ hệ thống quay trong trạm rađa 1. Máy biến áp xoay sin - cos Máy biến áp xoay sin-cos có cấu tạo giống như một động cơ không đồng bộ hai pha rôto dây quấn công suất nhỏ. Cấu tạo gồm hai phần chính stato và rôto. * Stato gồm lõi sắt và dây quấn 169 + Lõi sắt stato hình trụ do các lá thép kỹ thuật điện ghép lạ i vớ i nhauvà xẻ rãnh bên trong, dù ng để dẫn từ. + Dây quấn stato (dây quấn sơ cấp làm bằng đồng có bọc cách điện, gồm có hai cuộn dây đư ợ c quấn rải, đặt lệch nhau trong không gian một góc 900 điện. Hai cuộn dây này có các thông số giống nhau(số vòng dây, điện kháng, điện trở). Dây quấn dù ng để tạo ra từ trư ờng. * Rôto gồm lõi sắt và dây quấn + Lõi sắt giống lõi sắt stato đư ợ c ghép từ các lá thép kĩ thuật điện có cách điện tốt nhất và đư ợ c xẻ rãnh mặt ngoài. Lõi sắt dù ng để dẫn từ. + Dây quấn rôto (dây quấn thứ cấp) làm bằng đồng có bọc cách điện, gồm có hai cuộn dây đư ợ c quấn rải, đặt lệch nhau trong không gian một góc 900 điện. Hai cuộn dây này có các thông số giống nhau(số vòng dây, điện kháng, điện trở). Dây quấn dù ng để tạo ra từ trư ờng. U W1 1 W n U2’ 2W ’ 2W ’’ α 2U ’’ Hình 3.60: Sơ đồ nguyên lý máy biến áp xoay sin - cos Khi đặt vào dây quấn kích thích sơ cấp W1 trên stato một điện áp xoay chiều tsinU2u 11 ω= thì khi xoay rôto đi một góc α ta sẽ nhận đư ợ c ở đầu ra dây quấn thứ cấp '2W và '' 2W nằm trên rôto một điện áp xoay chiều u2 bằng: tsinU2tsinsinUk2u '211 ' 2 ω=ωα= tsinU2tsincosUk2u ''211 '' 2 ω=ωα= Trong đó: 11dq 22dq 1 W.k W.k k = ; α= sinUkU 11 ' 2 ; cos21''2 UkU = . Như vậy ta thấy trị số hiệu dụng của điện áp ra '2U tỉ lệ vớ i sinα, '' 2U tỉ lệ vớ i cosα. Khi máy biến áp xoay có tải, dòng điện '2i và '' 2i trong các dây quấn ' 2W và '' 2W tạo nên từ trư ờng '2 và ''2 , có thể chia các từ thông đó thành hai phần dọc trục và ngang trục từ trư ờng dây quấn sơ cấp 1 . Từ trư ờng ngang trục αφ cos'2 và  sin''2 làm cho từ trư ờng tổng bị méo đi, nên quan hệ hình sin của sức điện động vớ i góc α bị phá hủy. Đ ể triệt tiêu thành phần này, trên stato ta đặt dây quấn ngắn mạch Wn vuông góc 170 vớ i dây quấn W1. Dòng điện trong dây quấn ngắn mạch này sẽ sinh ra từ trư ờng bù thành phần từ trư ờng ngang trục, do đó có thể giảm sai số đến mức tối thiểu. 2. Máy biến áp xoay tuyến tính Khi góc xoay α trong khoảng 0 < α < 650, điện áp ở đầu cuối hai dây quấn nối tiếp '2W và Wn tỷ lệ thuận vớ i góc xoay α, còn dây quấn '' 2W ở rôto nối kín mạch vớ i tổng trở Zf dù ng để bù từ trư ờng ngang trục. Hình 3.61: Máy biến áp xoay tuyến tính Máy biến áp xoay ngày nay có sai số điện áp không quá 5%. Trong trư ờng hợ p đặc biệt, có thể làm cho sai số bé hơn (0,05 ữ 0,07)%. Công suất của máy biến áp xoay thông thư ờng trong khoảng vài VA vớ i U = 115 V vàf = 50HZ đến (400 đến 2500) Hz. Câu hỏi 1. Nguyên lý làm việc của máy điều chỉnh pha và máy điều chỉnh cảm ứng. Hai loạ i máy này giống nhau và khác nhau ở những điểm nào? Có thể lấy động cơ điện KĐ B rôto dây quấn ra làm máy điều chỉnh pha và máy điều chỉnh cảm ứng đư ợ c không? 2. Nguyên lý làm việc của máy biến đổi tần số. 3. Nguyên lý làm việc của hệ tự đồng bộ(xenxin). Giả sử máy phá t tín hiệu có số đôi cực là p, máy thu có số đôi cực là 2p, khi rôto máy phá t quay một góc θ thì rôto máy thu quay một góc bằng bao nhiêu. 4. Xenxin một pha và xenxin ba pha có những ư u điểm gì? 5. Nguyên lý làm việc của động cơ thừa hành xoay chiều và máy biến áp áp xoay. 171 Tài liệu tham khảo [1] Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sá u. Máy điện 1. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật 1998. [2] Trần Khánh Hà. Máy điện 1. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật 1998. [3] Phạm Văn Bình, Lê Văn Doanh. Thiết kế máy biến áp. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật 2001. [4 Trần Khánh Hà. Thiết kế máy điện. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật 1997. [5]. Nguyễn Hồng Quang, Nguyễn Phúc Hải. Máy điện trong các thiết bị tự động. Nhà xuất bản giáo dục 2001. [6]. Nguyễn Trọng Thắng, Nguyễn Thế Kiệt. Công nghệ chế tạo và tính toán sửa chữa máy điện (3 tập). Nhà Xuất bản Giáo dục 1998.