Giáo trình Máy điện 1 - Phần 1: Máy biến áp - Chương 1: Cơ sở lý thuyết của máy điện

74 trang cucquyet12 9990

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Máy điện 1 - Phần 1: Máy biến áp - Chương 1: Cơ sở lý thuyết của máy điện", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_may_dien_1_chuong_1_co_so_ly_thuyet_cua_may_dien.pdf

Nội dung text: Giáo trình Máy điện 1 - Phần 1: Máy biến áp - Chương 1: Cơ sở lý thuyết của máy điện

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN BỘ MÔN: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP MÁY ĐIỆN 1 2008
Lời nói đầu Trong quá trình khai thác sử dụng các tài nguyên thiên nhiên phục vụ cho nền kinh tế không thể không nói đến sự biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác, đặc biệt là điện năng. Điện năng không xảy ra trong tự nhiên dưới dạng sử dụng được và cũng không tích trữ được lượng điện lớn. Điện năng phải phát ra liên tục để cung cấp cho những nhu cầu về điện và điện năng được sử dụng rộng rãi trong mọi lãnh vực vì các ưu điểm sau: Điện năng được sản xuất tập trung với nguồn công suất lớn. Điện năng có thể truyền tải đi xa với hiệu suất cao. Điện năng dễ dàng biến đổi thành các dạng năng lượng khác. Nhờ điện năng có thể tự động hoá mọi quá trình sản xuất, nâng cao năng suất lao động và cùng với công nghệ thông tin đã đưa nền sản xuất xã hội sang giai đoạn kinh tế tri thức. Máy điện là thiết bị điện dùng để sản xuất, tiêu thụ và biến đổi điện năng. Máy điện nghiên cứu những ứng dụng của các hiện tượng điện từ nhằm biến đổi năng lượng. Máy điện là phần tử quan trọng nhất của bất kỳ thiết bị điện năng nào. Nó được sử dụng rộng rãi trong dân dụng, nông nghiệp, công nghiệp, giao thông vận tải, các hệ điều khiển và tự động điều chỉnh, khống chế. Giáo trình Máy điện 1 này gồm ba phần : Phần I cung cấp các kiến thức chung về máy điện và nguyên lý, cấu tạo, đặc tính và ứng dụng của máy biến áp. Phần II cung cấp các kiến thức chung về máy điện xoay chiều. Phần III cung cấp các kiến thức về nguyên lý, cấu tạo, đặc tính và ứng dụng của máy điện không đồng bộ. Giáo trình Máy điện 1 được biên soạn dựa trên kinh nghiệm giảng dạy nhiều năm ở Bộ môn Điện Công Nghiệp - Khoa Điện - Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học Đà Nẵng và tham khảo giáo trình của các trường bạn. Đây là giáo trình nhằm giúp cho sinh viên chuyên ngành và không chuyên ngành điện làm tài liệu tham khảo, học tập, đồng thời làm tài liệu để sinh viên thuận tiện học tập khi thầy giáo giảng bằng phương tiện giảng dạy mới. Do trình độ có hạn, giáo trình Máy điện không tránh khỏi thiếu sót, xin hoan nghênh mọi sự góp ý của bạn đọc. Các ý kiến đóng góp xin gởi về các tác giả ở Bộ môn Điện Công Nghiệp - Khoa Điện - Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học Đà Nẵng. Các tác giả
PHẦN THỨ NHẤT MÁY BIẾN ÁP Chƣơng 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MÁY ĐIỆN 1.1. KHÁI NIỆM CHUNG Từ thời thượng cổ con người đã biết đến những hiện tượng liên quan đến điện như sấm, sét. Nhà triết học Hylạp cổ đại Thales von Milet đã nhận thấy hiện tượng nhiễm điện do ma sát khi chà miếng hổ phách lên vải khô. Năm 1785 Charles Coulomb thiết lập định luật mang tên ông. Năm 1821 Faraday chế tạo ra chiếc máy điện đầu tiên. Ngày đó được xem như một mốc đánh dấu sự ra đời của nghành chế tạo máy điện. Năm 1825 nhà bác học Pháp Andre Marie Ampere phát minh ra các định luật cơ bản của điện động học Năm 1824 P.Barlow làm ra một động cơ gồm hai bánh xe bằng đồng gắn trên một trục. Chúng được đặt trong từ trường của một nam châm vĩnh cửu. “Bánh xe Barlow” tiếp xúc với thuỷ ngân và quay khi có dòng điện chạy qua. Năm 1831 Faraday khám phá ra định luật cảm ứng điện từ, một trong những định luật quan trọng làm nền tảng cho ngành chế tạo máy điện. Năm 1832 Pixxi chế tạo được một máy phát điện có cực từ quay và cuộn dây cố định quấn trên lõi thép Năm 1834 B.S.Yakobi đã chế tạo một động cơ làm việc theo nguyên tắc hút và đẩy giữa một nam châm điện và một nam châm vĩnh cửu. Năm 1838 các kĩ sư Nga đã lắp một bộ 4 động cơ trên một xuồng máy và chiếc xuồng này đã chở 2 hành khách chạy ngược dòng Neva. Như vậy lần đầu tiên động cơ điện được sử dụng vào thực tế. Năm 1860 A. Pacinotti và sau đó năm 1870 Z. Gramme đưa ra máy điện có lõi sắt hình xuyến. Máy điện của Gramme đã tạo ra một cuộc cách mạng về mặt thương mại của các máy điện và nó là cơ sở cho các máy điện hiện đại Năm 1873 F. Hefner và Siemen thay thế lõi sắt hình xuyến bằng lõi sắt hình trống. Từ năm 1878 các máy điện được chế tạo rãnh trên lõi sắt để đặt dây quấn.
Năm 1880 Thomas A Edison sản xuất ra chiếc máy điện đầu tiên có lõi sắt làm bằng các lá thép ghép lại. Năm 1885 các kĩ sư Hungari đưa ra chiếc máy biến áp có lõi sắt kín. Năm 1889 M.O.Dolivo-Dobrovolsky đề xuất ra động cơ điện không đồng bộ ba pha và máy biến áp ba pha. Từ năm 1890 hệ thống ba pha được dùng rộng rãi. Nó đánh dấu thời kì phát triển của hệ thống dòng điện xoay chiều. Năm 1970 người ta bắt đầu dùng các nguyên tố đất hiếm để chế tạo các nam châm vĩnh cửu mạnh và có kích thước nhỏ. Năm 1978 kĩ thuật đệm từ bắt đầu phát triển ở Nhật Mỹ và Đức và đến năm 1989 những tàu hoả thử nghiệm dùng đệm từ trường đã đạt tốc độ 400 km/h. Năm 1991 trong phòng thí nghiệm của KfA-Karlsruhe (Đức) đã xuất hiện các động cơ siêu nhỏ dùng trong y khoa và robot. Lịch sử phát triển của máy điện đã trải qua nhiều thời kì với sự đóng góp to lớn của các nhà bác học. Ngày nay chúng ta gặp những máy điện có công suất từ vài mW đến hàng trăm MW. Máy điện là thiết bị biến đổi năng lượng cơ điện. Nói chung, một thiết bị biến đổi năng lượng cơ điện là một thiết bị có sự liên kết giữa hệ điện và hệ cơ. Kết hợp một cách thích hợp hai hệ này cho phép chúng ta biến đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ hay ngược lại. Trong các máy phát năng lượng cơ đưa vào hệ cơ được biến thành năng lượng điện nhờ trường liên kết. Như vậy hệ cơ cung cấp năng lượng qua trường liên kết đến hệ điện. Trong các động cơ, năng lượng điện được đưa vào hệ điện và biến thành năng lượng cơ nhờ trường liên kết, nghĩa là hệ điện cung cấp năng lượng qua trường liên kết đến hệ cơ. Sự liên kết giữa hệ điện và hệ cơ được thực hiện nhờ từ trường hay điện trường, nghĩa là trường liên kết trong máy điện là điện trường hoặc từ trường. Nói chung cả hai trường này đều có mặt trong máy điện. Sự tích luỹ năng lượng trong các trường này liên quan đến sự biến đổi năng lượng. Năng lượng trong trường liên kết sẽ thay đổi hoặc có xu hướng thay đổi trong suốt quá trình biến đổi năng lượng. Có thể nói rằng xu hướng giải phóng năng lượng của trường liên kết và thực hiện công cơ học là nguyên nhân tồn tại mối liên kết giữa hệ điện và hệ cơ. Sự biến đổi năng lượng cơ điện phụ thuộc vào quan hệ giữa một bên là điện trường và từ trường và bên kia là lực cơ học, mô men và chuyển động. Các hiện tượng sau đây thường được dùng trong các thiết bị biến đổi năng lượng cơ điện: - Lực cơ học tác dụng lên thanh dẫn có dòng điện đặt trong từ trường, giữa các thanh dẫn có dòng điện nhờ từ trường của chúng. - Lực cơ học tác dụng lên vật liệu sắt từ và có xu hướng làm nó chuyển dời đến vị trí có từ cảm lớn nhất. - Lực cơ học tác dụng lên các bản cực được tích điện của tụ điện và lên điện môi đặt trong điện trường. - Một số tinh thể bị biến dạng khi gradient điện áp tác dụng theo một hướng xác định. Ngược lại khi chúng bị biến dạng, các điện tích xuất hiện trong chúng. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng áp điện. Mặc dù sự biến dạng của tinh thể khi có điện áp đặt vào rất nhỏ song lực xuất hiện có thể rất lớn. - Một số vật liệu sắt từ bị biến dạng nhỏ khi chịu tác dụng của từ trường. Ngược lại, đặc tính từ bị ảnh hưởng khi vật liệu chịu tác dụng của ứng suất cơ học.
Hiện tượng này được gọi là hiện tượng từ giảo. Cũng như hiệu ứng áp điện, lực có thể lớn khi biến dạng rất nhỏ. Như vậy có rất nhiều hiện tượng tự nhiên có thể dùng để biến đổi cơ năng thành điện năng và ngược lại. Trong giáo trình này, chúng ta chủ yếu nghiên cứu các máy điện làm việc dựa trên hiện tượng thứ nhất và thứ hai vì chúng là các máy điện thông dụng trong thực tế. Còn trong chương này trình bày khái quát về máy điện, tóm tắt các định luật vật lý dùng trong máy điện, trình bày khái quát các vật liệu từ tính và các mạch từ đơn giản. Trong các chương kế tiếp, các khái niệm trong chương này được dùng để phân tích các loại máy điện.` 1.2. ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI 1.2.1. Định nghĩa Máy điện là thiết bị điện từ, nguyên lý làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện tư, về cấu tạo gồm mạch từ (lõi thép) và mạch điện (dây quấn), dùng để biến đổi dạng năng lượng như cơ năng thành điện năng (máy phát điện) hoặc ngược lại như điện năng thành cơ năng (động cơ điện), hoặc dùng để biến đổi các thông số điện năng như điện áp, dòng điện, tần số, số pha Như vậy máy điện là một hệ điện từ gồm có mạch từ và mạch điện liên quan với nhau. Mạch từ gồm các bộ phận dẫn từ và khe hở không khí. Các mạch điện gồm hai hoặc nhiều dây quấn có thể chuyển động tương đối với nhau cùng với các bộ phận mang chúng. 1.2.2. Phân loại máy điện Máy điện được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, các hệ điều khiển và tự động điều chỉnh, khống chế Máy điện có nhiều loại và có nhiều cách phân loại khác nhau. Ở đây ta phân loại máy điện dựa vào nguyên lý biến đổi năng lượng gồm các loại như sau : máy điện tĩnh và máy điện quay. a. Máy điện tĩnh Máy điện tĩnh làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, do sự biến đổi từ thông trong các cuộn dây không có sự chuyển động tương đối với nhau. Máy điện tĩnh thường dùng để biến đổi các thông số điện năng như máy biến áp biến điện áp xoay chiều thành điện áp xoay chiều có giá trị khác, b. Máy điện quay (hoặc có loại chuyển động thẳng) Máy điện quay làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, lực điện từ do từ trường và dòng điện trong các cuộn dây gây ra. Loại máy nầy dùng để biến đổi dạng năng lượng như cơ năng thành điện năng (máy phát điện) hoặc ngược lại như điện năng thành cơ năng (động cơ điện). Quá trình biến đổi năng lượng nầy có tính thuận nghịch nghĩa là máy điện có thể làm việc ở chế độ máy phát điện hoặc động cơ điện. Để có bức tranh về máy điện, ta có sơ đồ phân loại máy điện thường gặp:
Máy điện Máy điện tĩnh Máy điện quay Máy điện xoay chiều Máy điện một chiều Máy điện Máy điện đồng bộ không đồng bộ Máy Động Máy Động Máy Động phát cơ phát cơ điện phát cơ Máy điện điện điện không điện điện biến đồng đồng không đồng một một áp bộ bộ đồng bộ bộ chiều chiều 1.3. CÁC ĐỊNH LUẬT ĐIỆN TỪ CƠ BẢN DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN Trong nghiên cứu máy điện ta thường dùng các định luật sau: định luật cảm ứng điện từ, định luật lực điện từ và định luật dòng điện toàn phần. Các định luật nầy đã được trình bày trong giáo trình vật lý, ở đây nêu lại những điểm chính áp dụng cho nghiên cứu máy điện. 1.3.1. Định luật cảm ứng điện từ a. Trƣờng hợp từ thông xuyên qua vòng dây biến thiên. Khi từ thông  = (t) xuyên qua vòng dây biến thiên trong vòng dây sẽ cảm ứng sức điện động (sđđ) e(t). Sđđ đó có chiều sao cho dòng điện do nó sinh ra tạo ra từ thông chống lại sự biến thiên của từ thông sinh ra nó (hình 1-1). Sđđ cảm ứng trong một vòng dây được tính theo  công thức: e d e [V] (1-1) dt Nếu cuộn dây có N vòng, sđđ cảm ứng của cuộn dây là: d d e N (1-2) dt dt Hình 1-1 Chiều dương sđđ trong đó,  N [Wb] gọi là từ thông móc vòng cảm ứng phù hợp với từ thông của cuộn dây; còn t là thời gian. theo qui tắc vặn nút chai Trường hợp từ thông biến thiên hình sin  = maxsint, theo (1-2) ta có:
d e N N cost E sin(t ) 2Esin(t ) (1-3) dt max max 2 2 Trong đó, biên độ sđđ cảm ứng Emax Nmax 2 fNmax , trị số hiệu dụng tương ứng E Emax / 2 Nmax / 2 4,44fNmax và f(Hz) là tần số. b. Trƣờng hợp thanh dẫn chuyển động trong từ trƣờng. Khi thanh dẫn chuyển động thẳng góc với đường sức từ trường (đây là trường hợp thường gặp nhất trong máy điện, hình 1-2), trong thanh dẫn cảm ứng sđđ có trị số là: e = Blv (1-4a) trong đó : B[T]: cường độ từ cảm. l[m]: chiều dài tác dụng (effective, hoặc thanh dẫn đặt thẳng góc với đường sức từ trường) của thanh dẫn. Hình 1-2 Xác định sđđ cảm ứng V[m/s]: tốc độ dài của thanh dẫn. theo qui tắc bàn tay phải Còn chiều sđđ cảm ứng xác định theo qui tắc bàn tay phải. Từ trường xuyên qua lòng bàn tay, chiều ngón tay cái là chiều chuyển động của thanh dẵn, chiều các ngón tay là chiều sđđ cảm ứng (hình 1-2). Nếu thanh dẫn tạo với từ trường một góc thì: e = B.l.v.sin (1-4b) 1.3.2. Định luật lực điện từ Khi thanh dẫn mang dòng điện đặt thẳng góc với đường sức từ trường như trên hình 1-3a, thanh dẫn sẽ chịu một lực điện từ tác dụng có trị số là: f = Bil (1-5a) Trong đó, B[T]: cường độ từ cảm. i [A]: dòng điện chạy trong thanh dẫn. l [m]: chiều dài tác dụng thanh dẫn. f [N]: lực điện từ đo bằng Niuton. Chiều của lực điện từ f được xác định theo qui tắc bàn tay trái (hình 1-3c). Nếu thanh dẫn tạo với từ trường một góc (hình 1-3b) thì: f = B.i.l.sin (1-5b)  i B (a) (b) Hình 1-3 Xác định lực điện từ (c)
Nếu khoảng cách từ thanh dẫn đến trục quay là d thì mômen tác dụng lên thanh dẫn là: m = 2.f.d = 2.B.l.i.d [Nm] (1-5c) 1.3.3. Định luật dòng điện toàn phần Nội dung của định luật dòng điện toàn phần như sau: nếu H là véctơ cường độ từ trường do một tập hợp dòng điện i1, i2, ik, , in tạo ra và nếu L là một đường cong kín bao quanh chúng thì: i i i3 1 2 H Hdl ik (1-6) (L) dl Với dl là độ dời vi phân trên (L), như trình bày trên hình 1-4. Dấu của ik xác định theo qui (L) tắc vặn nút chai: quay cái vặn nút chai theo chiều dl , chiều tiến của vặn nút chai trùng với chiều dòng điện ik thì dòng điện ik mang dấu Hình 1-4 Minh họa định luật dương, còn ngược lại lấy dấu âm. dòng điện toàn phần 1.4. TỪ TRƢỜNG, MẠCH TỪ VÀ ĐỊNH LUẬT MẠCH TỪ 1.4.1. Từ trƣờng Điện tích chuyển động sẽ tạo ra từ trường. Trong máy điện, từ trường được tạo bởi các cực từ và dây quấn. Sự phân bố từ trường trong máy phụ thuộc vào kết cấu của máy điện. Trên hình 1-5a,b,c là hình ảnh từ trường tương ứng của thanh dẫn, cuộn dây và nam châm. i (b) (a) S N (c) Hình 1-5 Từ trường 1.4.2. Mạch từ và định luật mạch từ Lõi thép của máy điện là mạch từ. Mạch từ là mạch khép kín dùng để dẫn từ thông. Trên hình 1-6a là mạch từ của một cuộn dây có lõi thép và hình 1-7a,b là mạch từ của máy điện quay. Định luật dòng điện toàn phần áp dụng vào mạch từ đồng nhất có một cuộn dây như hình 1-6a, ta có như sau: H.l = Ni = F (1-7) Trong đó:
H[A.t/m]: Cường độ từ trường trong mạch từ. l[m] : Chiều dài trung bình của mạch từ. N: Số vòng dây của cuộn dây quấn trên mạch từ. i[A]: gọi là dòng điện từ hóa, tạo ra từ thông cho mạch từ. F = Ni [At]: gọi là sức từ động (stđ) H.l : gọi là từ áp rơi trong mạch từ.   (i) i l(L) 1 F N (E)  (R) (a) (b) Hình 1-6 Mạch từ đồng nhất có một cuộn dây N N N S S S S N N (a) (b) Hình 1-7 Mạch từ máy điện quay Đối với đường dẫn từ là lõi thép, cường độ từ cảm B[T] (mật độ từ thông) trong mạch từ: B H or H (1-8a) Đối với đường dẫn từ là không khí: B oH (1-8b) Trong đó, o là độ từ thẩm tuyệt đối của chân không (không khí): -7 o = 4 .10 H/m
còn :  = r o [H/m]: độ từ thẩm tuyệt đối của vật liệu dẫn từ. r = /o : độ từ thẩm tương đối của vật liệu dẫn từ. Ta cũng có biểu thức toán học quan hệ giữa từ thông và cường độ từ cảm trong tiết diện ngang của mạch từ:  B (1-9) S Thay biểu thức (1-8a) và (1-9) vào (1-7), ta có : B l Hl l     S Vậy Hl  Ni F (1-10) Trong đó: [Wb]: từ thông trong mạch từ. S[m2] : tiết diện ngang của mạch từ. l  [At/Wb] từ trở của mạch từ.  S 1.4.3. Sự tƣơng tự giữa mạch điện và mạch từ Quan hệ giữa từ thông, stđ và từ trở của mạch từ tương tự như quan hệ giữa sđđ, dòng điện và điện trở trong mạch điện: F E Φ i R μ R Tương tự mạch điện, từ trở tương đương của n mạch từ nối nối tiếp là: Rμ Rμ1 Rμ2 Rμn (1-11) và từ trở tương đương của n mạch từ nối song song là: 1 1 1 1 (1-12) Rμ Rμ1 Rμ2 Rμn Hình 1-6b trình bày sơ đồ mạch từ với stđ F (tương tự sđđ E), từ trở  (tương tự điện trở R) và từ thông  (tương tự dòng điện i). Lõi thép có khe hở không khí (hình 1-8) Cũng áp dụng định luật dòng điện toàn phần vào mạch từ gồm hai đoạn có hiều dài l1 và l2 tiết diện S1 và S2, trên đó quấn hai cuộn dây có số vòng N1 và N2. Cho qua hai cuộn dây là dòng điện i , i . Từ 1 2  hình 1-8, ta có: i1 l1,S1 H1l1 + H2.l2 = N1-i1 - N2.i2 (1-13) Trong đó: N 1 l2,S2 H1,H2[At/m]: Cường độ từ trường tương ứng trong đoạn mạch từ 1, 2. l1, l2[m]: Chiều dài trung bình của đoạn i2 N mạch từ 1, 2. 2 Hình 1-8 Mạch từ có khe hở i1-N1,i2.N2 [At]: Stđ của cuộn dây 1, 2. không khí và hai cuộn dây
Hình 1-8 là trường hợp mạch từ có một khe hở không khí. Khe hở hẹp nên từ thông chạy trong lõi thép đi thẳng qua khe hở. Cho rằng mật độ từ thông trong khe hở bằng trong lõi và độ từ thẩm của lõi là không đổi. Từ biểu thức (1-10) và (1-13), ta có: l1 l 2 ( ) N1i1 N2i 2 (1-14) .S1 o .S2 Vì độ từ thẩm của lõi thép gấp 2000  8000 lần trong khe hở, nên từ trở của lõi thép cho bằng không, biểu thức (1-14) viết lại là: l 2 ( ) 2 N1i1 N2i 2 (1-15) o .S2 Với 2 = l2/o.S2 : từ trở của đoạn mạch từ là khe hở không khí. Phương trình (1-15) có ý nghĩa là trong mạch từ có khe hở không khí, từ trở của lõi sắt có thể bỏ qua, độ chính xác không thay đổi đáng kể. Điều này được áp dụng để khảo sát máy điện quay. Tóm lại, một cách tổng quát, mạch từ gồm m đoạn ghép nối tiếp, có n cuộn dây cuốn trên mạch từ, từ (1-13) và (1-15), ta viết được : m m n n H jl j  j Nki k Fk F (1-16) j 1 j 1 k 1 k 1 trong đó, dòng điện ik nào có chiều phù hợp với chiều từ thông  đã chọn theo qui tắc vặn nút chai sẽ mang dấu dương, còn ngược lại sẽ mang dấu âm; m - chỉ số tên đoạn mạch từ; n - chỉ số tên cuộn dây có dòng điện. 1.4.4. Tính toán mạch từ Việc tính toán mạch từ thường gặp hai loại bài toán sau: Bài toán thuận : Cho biết từ thông , tìm stđ F = Ni để tạo ra từ thông đó. Cách giải : Tiến hành gồm ba bước sau :(xét mạch từ gồm j đoạn nối tiếp, từ thông  bằng nhau ở mọi tiết diện Sj trong các đoạn mạch từ ). Bƣớc 1: Tính từ cảm mỗi đoạn mạch từ : Bj = /Sj ; j là chỉ số tên các đoạn mạch từ. Suy ra cường độ từ trường Hj như sau: Nếu đoạn mạch từ là vật liệu sắt từ, tra đường cong từ hóa B = f(H) để tìm H. Nếu đoạn mạch từ là khe hở không khí thì H0 = B0/o . Bƣớc 2: Suy ra stđ tổng để tạo ra từ thông  từ công thức (1-16): m F H jl j (1-17) j 1 Bƣớc 3: Tùy theo bài toán mà ta tìm được dòng điện i hoặc số vòng dây N.
VÍ DỤ 1-1 2 Mạch từ hình VD 1-1 có kích thước : S = 4x4 cm , l1 = 40 cm, l2 = 0,06 cm, cuộn dây N = 600vòng. Giả sử r = 6000 đối với sắt. Tìm dòng diện kích từ để có từ cảm trong lõi thép B = 1,2T , từ thông tương ứng, và từ thông móc vòng ? Bài giải Từ công thức 1-17, ta có : i l1,S1 m F  H jl j j 1 N l2,S2 B1 B2 Ni = H1l1 + H2l2 = l1 l2 or o Cho rằng tiết diện ở khe hở không khí bằng tiết Hình VD 1-1 diện mạch từ : 2 S1 = S2 = S = 4 x 4 =16 cm . Nên B1 = B2 = B, vậy : B l1 i ( l2 ) No r 1,2 40 i ( 0,06).10 2 =1,06 A 600 4 .10 7 6000 Từ thông tương ứng :  =B x S =1,2. 16.10-4 = 19,2.10-4 Wb Từ thông móc vòng :  N = 600 x 19,2.10-4 = 1,152.10-4 Wb vòng Bài toán ngược : Biết stđ F, tìm từ thông . Loại bài toán nầy phức tạp. Do vật liệu từ có độ từ thẩm  phụ thuộc từ thông  nên từ trở  cũng phụ thuộc . Vì chưa biết  nên cũng chưa biết . Phương trình (1-16) trở thành: m R j () F () (1-18). j 1 Đây là phương trình phi tuyến, thường dùng phương pháp gần đúng để giải. VÍ DỤ 1-2 Một vòng thép có tiết diện tròn đường kính 3cm và chu vi 80cm, khe hở không khí 1mm cắt ngang vòng tròn đó, cuộn dây quấn trên vòng lõi gồm 600vòng. 1. Tính dòng kích từ để có từ thông 0,75mWb trong khe hở không khí. Bỏ qua biên ngoài khe và từ thông tản. 2. Tìm từ thông được tạo trong khe hở không khí nếu dòng kích từ là 2A. bỏ qua biên ngoài khe và từ thông tản. Cho đặc tính từ hoá của thép : H(A/m) 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 B(T) 0,10 0,32 0,60 0,90 1,08 1,18 1,27 1,32 1,36 1,40
Bài giải 1. Tính dòng điện kích từ Từ cảm trong mạch từ  0,75.10 3 B 1,06 T S 0,03 2 / 4 Từ cảm trong khe hở Bo= BC từ cảm trong lõi thép Từ đường cong từ hoá vẽ được nhờ đặc tính từ hoá (hình VD1-2) ta tìm được cường độ từ trường: HC = 9000At/m và lC = 0,8m (bỏ qua khe hở không khí) Từ công thức (1-16), ta có : Bo F =Ni = HClC + H2l2 = HClC lo o 1,06 F 900 0,8 10 3 720 842 1563 At 4 .10 7 Dòng điện chạy trong cuộn dây (kích từ) là: F 1563 i 2,6A N 600 2. Tính từ thông trong khe hở không khí Bo Ta đã có : Ni HClC lo (1) o Với Ni = 600.2 = 1200 At, phương trình (1) trở thành: B 1200 0,8H C 10 3 (2) C 4 .10 7 B(T) 1-6 1-4 (1) 1-2 1-0 0.8 0.6 0.4 (2) 0.2 H(At/m) Hình VD1-2 400 800 1200 1600 2000
Phương trình trên là tuyến tính và vẽ trên đồ thị hình VD1-2 là đường (2), còn đặc tính từ hoá của lõi thép là đường (1). Hai đường biểu diễn trên đồ thị cắt nhau tại điểm: BC = 0,87T. Từ đó ta tính được từ thông trong mạch từ : B 0,78  C 0,55 mWb S 0,03 2.10 4 / 4 VÍ DỤ 1-3 Cho mạch từ như hình VD 1-3.a. Tìm điện áp đưa vào cuộn dây để tạo ra từ cảm B = 0,2T trong khe hở không khí với giả thiết từ trường trong khe hở không khí chỉ tập trung trong vùng lõi thép. Cuộn dây có 80 vòng với điện trở 0,05. Tiết diện lõi thép S = 0,04m2(các kích thước khác trên hình vẽ có đơn vị là m). b 0.8 1 a c 0.3 g 0.005 h 1 0.69 e f d (a) (b) Hình VD 1-3 Bài giải Từ thông trong khe hở không khí là:  = BS = 0,2 0,04 = 0,008 Wb Từ cảm trong khe hở không khí là 0.2T, nên cường độ từ trường trên đoạn bg và he theo đường cong từ hóa của vật liệu là H = 34,7A/m. Như vậy stđ trên các đoạn sẽ là: Fbg = H bg = 34,7 0,3 = 11,22 At Fhe = H he = 34,7 0,69 = 25,81 At Cường độ từ trường trong khe hở không khí là: B 0,2 H  159,155 10 3 A/m  7 0 4 10 Stđ trên khe hở không khí được tính bằng: 3 F = H  = 159,155 10 0,005 = 795,77 At Như vậy tổng stđ của đoạn mạch từ bghe là: Fbghe = Fbg + F + Fhe = 11,22 + 25,81 + 795,77 = 833 AV Do stđ trên đoạn be bằng stđ trên đoạn bcde nên cường độ từ trường trên đoạn bcde sẽ là:
Fbe 833 Hbcde 277,67 At lbcde 1 1 1 Theo đường cong từ hóa của vật liệu ta có Bbcde = 1,45 T. Như vậy từ thông trên đoạn bcde sẽ là: bcde = Bbcde S = 1,45 0,04 = 0.058 Wb Tổng từ thông tạo bởi cuộn dây:  = bcde + be = 0,008 + 0,058 = 0,066 Wb Từ cảm trên đoạn mạch từ efab là:  0,066 B efab 1,65 T efab S 0,04 Cường độ từ trường tương ứng là Hefab = 2944,35 AV. Stđ trên đoạn efab được xác định bằng: Fefab = Hefab lefab = 2944.35 (1 + 0.8 + 0.8) = 7655,31 At Stđ tổng cung cấp bởi cuộn dây: F = Fefab + Fbghe = 7655,31 + 833 = 8488,31 At Do cuộn dây có N = 80 vòng nên dòng điện đưa vào cuộn dây phải là: F 8488,31 i 106,1 A N 80 Điện áp của nguồn cung cấp: U = iR = 106,1 0,05 = 5.3 V Hệ số từ thẩm tương đối của đoạn mạch từ efab được xác định bằng:  B 1,65  efab 446 refab 7 o oHefab 4 10 2944 Hệ số từ thẩm tương đối của đoạn mạch từ bghe được xác định bằng:  B 0,2  bghe 4256 rbghe 7 o oHbghe 4 10 34,7 Hệ số từ thẩm tương đối của đoạn mạch từ bcde được xác định bằng:  B 1,45  bcde 4156 ,1 rbcde 7 o oHbcde 4 10 277,67 1.5. TỔN HAO NĂNG LƢỢNG TRONG MẠCH TỪ Trong vật liệu sắt từ, khi chu trình từ hoá xảy ra sẽ xuất hiện hai loại tổn thất: tổn thất từ trễ và tổn thất dòng điện xoáy (dòng điện Foucault), gọi chung là tổn thất trong lõi thép. Tổn thất trong mạch từ rất quan trọng trong việc xác định nhiệt để đưa ra các thông số định mức và hiệu suất của máy điện. 1.5.1. Hiện tƣợng từ trễ và tổn hao năng lƣợng do từ trễ Nếu có dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn dây quấn trên mạch từ như trình bày trên hình 1-9a, và ta thu được đường cong quan hệ giữa cường độ từ cảm B và cường độ từ trường H, như hình 1-9b, gọi là hiện tượng trễ và đường cong thu được là đường cong từ trễ.
Khi lõi thép chưa đươc từ hoá, điểm 0 trên đường cong, H = 0 và B = 0. Tăng dần dòng điện từ hoá trong cuộn dây theo chiều dương, từ trường H tăng và từ cảm B sẽ tăng theo đường 0A. Từ công thức (1-7), ta có: Ni H l Sau đó nếu giảm H (tức giảm i) thì B sẽ giảm theo đường ACA’. Tiếp tục lại tăng H tại điểm A’ thì từ cảm B cũng tăng nhưng theo đường A’C’A. Như vậy khi từ hoá vật liệu sắt từ với cường độ từ trường thay đổi cả về chiều và trị số thì từ cảm B trong vật liệu sắt từ luôn luôn biến thiên chậm trễ hơn. Vật liệu dẫn từ tốt sẽ có đường cong từ trễ hẹp. B A Bdư  i 1 C ~ N HK H 0 C’ (a) A’ Hình 1-9 Mạch từ với stđ xoay chiều (a) và đường cong từ trễ (b) (b) Các kết quả của quá trình từ trễ cần chú ý như sau: - Từ dư Bdư : Khi từ trường H = 0 thì từ cảm B trong lõi thép vẫn còn trị số Bdư gọi là cảm ứng từ dư. - Cường độ từ trường khử từ HK (lực khử từ): Muốn khử từ dư trong vật liệu sắt từ (muốn B = 0) thì phải đổi chiều cường độ từ trường H và tăng đến trị số HK. Như vậy khi H = HK thì B = 0 từ dư bị khử hoàn toàn. - Tổn hao từ trễ: Trong quá trình làm việc cường độ từ trường H và từ cảm B biến thiên liên tục, các phân tử trong vật liệu sắt từ được đinh hướng lại, sự chuyển động này sẽ tạo ra nhiệt và vật liệu sắt từ xuất hiện tổn hao năng lượng làm chúng bị nóng lên. Ta gọi đó là tổn hao từ trễ. Người ta nhận thấy rằng khi vật liệu sắt từ có từ cảm Bdư lớn, lực khử HK lớn thì tổn hao từ trễ lớn. Như vậy tổn hao từ trễ tỉ lệ với diện tích đường cong từ trễ. Tổn hao công suất do từ trễ phụ thuộc vào thể tích của mạch từ và tần số thay đổi của từ trường bên ngoài.
Do hiện tượng từ trễ nên trong lõi thép sẽ có tổn hao công suất: n pt k t f Bmax (1-19) Trong đó: Pt[W/kg] = tổn hao từ trễ f[Hz] = tần số kt = hằng số Bmax = từ cảm cực đại n = hằng số Steinmetz 1.5.2. Tổn hao dòng xoáy Trong lõi thép như hình 1-10a, khi từ thông biến thiên theo thời gian thì sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng khép kín ở mặt phẳng vuông góc với đường sức từ trường, gọi là dòng điện xoáy (dòng Foucault hoặc Eddy). Vì lõi thép có điện trở nhỏ nên dòng điện xoáy thường khá lớn. Mặt khác, sđđ cảm ứng tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông, nên từ thông biến đổi càng nhanh (tần số lớn) thì dòng điện xoáy càng mạnh. Dòng điện xoáy chạy trong lõi thép gây ra tổn thất công suất dưới dạng nhiệt (Ri2), gọi là tổn thất dòng điện xoáy, phụ thuộc vào điện trở suất vật liệu làm lõi thép và chiều dài đường dẫn dòng điện xoáy. Điện trở suất vật liệu làm lõi thép càng cao và chiều dài đường dẫn dòng điện xoáy càng dài, tổn thất dòng điện xoáy càng giảm. Dòng điện xoáy Nguồn điện Nguồn điện xoay chiều xoay chiều (a) (b) Hình 1-10 Dòng điện xoáy (a) và cách làm giảm dòng điện xoáy (b) Khi từ thông biến thiên, trong vật dẫn từ xuất hiện dòng điện xoáy. Sđđ cảm ứng trong vật dẫn theo (1-1) tỉ lệ với tốc độ thay đổi của từ thông: d e  (1-20) dt Biểu diễn theo tần số và từ cảm ta có: e  f Bmax (1-21) Tổn hao công suất do dòng điện xoáy được xác định bằng:
2 2 px kef Bmax (1-22) Trong đó: ke = hằng số, phụ thuộc chiều dày, điện trở suất và khối lượng của vật dẫn. Trong các thiết bị điện có dòng điện xoay chiều như các máy biến áp, động cơ điện, máy phát điện xoay chiều, từ trường trong lõi thép biến thiên với tần số của dòng điện xoay chiều. Dòng điện xoáy sẽ làm nóng lõi thép gây tổn hao năng lượng và giảm hiệu suất của thiết bị điện. Để hạn chế tổn hao này một mặt dùng thép kỹ thuật điện là thép hợp kim silíc có điện trở suất lớn làm giảm đáng kể trị số dòng điện xoáy, mặt khác lõi thép được ghép từ các lá thép mỏng cách điện nhau, lá thép song song với đường sức từ, dòng điện xoáy phân nhỏ trong từng lá thép mỏng nên giảm rất nhiều (hình 1-10b). Trong máy điện, chiều dày lá thép thường thay đổi từ 0,3-0,5mm, còn đối với thiết bị điện tử là 0,1-0,5mm. 1.6. SỰ BIẾN ĐỔI NĂNG LƢỢNG TRONG MÁY ĐIỆN QUAY Khi một thanh dẫn chuyển động trong từ trường, trong nó xuất hiện sđđ xác định bởi công thức (1-4a): e = B.l.v (1-23) Do thanh dẫn nằm trong từ trường nên nó chịu tác dụng của lực: f = B.l.i (1-24) Vậy là khi có chuyển động tương đối của thanh dẫn trong từ trường, trong nó xuất hiện sđđ. Khi thanh dẫn mang dòng điện, nó chịu tác dụng của một lực điện từ. Do đó trong một máy điện thông thường có hai dây quấn, một trên phần tĩnh (stator) và một trên phần quay (rotor). Dây quấn dùng để tạo ra từ thông là dây quấn kích thích còn dây quấn có sđđ cảm ứng là dây quấn phần ứng. Cả động cơ lẫn máy phát, khi làm việc, đều có các thanh dẫn mang dòng điện nằm trong từ trường. Các thanh dẫn và từ trường chuyển động so với nhau ở một tốc độ xác định. Do vậy cả mômen và sđđ đều được tạo ra. Như vậy một máy điện chỉ có thể nói là đang làm việc ở chế độ máy phát hay động cơ nếu biết hướng của dòng công suất. Về mặt kết cấu, máy phát cũng tương tự như động cơ. Chúng chỉ khác ở một vài chi tiết để có được đặc tính làm việc tốt nhất. Động cơ cũng như máy phát đều có thể dùng để biến đổi năng lượng theo cả hai hướng. Trong máy phát mômen điện từ là mômen cản. Động cơ sơ cấp phải thắng được mômen này. Công suất điện phát ra càng lớn thì công suất cơ đòi hỏi cũng càng lớn. Trong động cơ mômen điện từ là mômen quay. Mômen này phải thắng được mômen cản của tải. Công suất tải càng lớn thì công suất của động cơ cũng càng lớn. Quá trình biến đổi năng lượng có tính thuận nghịch mặc dù có một phần năng lượng bị tiêu hao dưới dạng nhiệt. Một động cơ có thể làm việc như một máy phát và ngược lại một máy phát cũng có thể làm việc như một động cơ. Như vậy chúng ta thấy rằng việc phân tích chi tiết sự làm việc của máy phát cơ bản giống như động cơ. Khảo sát mômen tạo bởi động cơ cũng như khảo sát mômen cản của máy phát.
1.7. CỰC TỪ, TẦN SỐ VÀ GÓC ĐỘ ĐIỆN Hình 1-11a trình bày mạch từ của máy phát điện có bốn cực từ. Bốn cực từ của lõi thép stato là cực bắc và nam bố trí xen kẽ nhau, dây quấn phần ứng được đặt trên một phần tư chu vi lõi thép rôto. Stato được chia thành độ không gian, còn được gọi là độ cơ học. Nếu cuộn dây rôto đặt ở vị trí 0o như trình bày trên hình 1- 11a, từ thông đi ra từ cực bắc N móc vòng qua dây quấn rồi về hai cực nam S kế bên là lớn nhất. Ở vị trí 45o, như hình 1-11b, từ thông móc vòng qua cuộn dây bằng 0; còn ở vị trí 90o, từ thông móc vòng qua cuộn dây là cực đại nhưng ngược chiều so với ở vị trí 0o 90o 90o S S o 180 N rôto N 0o o rôto o 180 N N 0 S S 270o 270o (a) (b) max N o o o o Độ điện 180 360 540 720 2 3 4 Rad điện S Một chu kỳ của sóng từ thông Một vòng quay của rôto 0o 90o 180o 270o 360o Độ không gian (c) Hình 1-11 Máy phát bốn cực từ: (a) từ thông xuyên qua dây quấn rôto cực đại; (a) từ thông xuyên qua dây quấn rôto bằng không; (a) sự thay đổi từ thông xuyên qua dây quấn rôto khi rôto quay;
Trên hình 1-11c trình bày sự thay đổi của từ thông xuyên qua dây quấn rôto trong một vòng quay; cho rằng từ thông này về cơ bản là hình sin. Chú ý rằng máy có bốn cực từ, từ thông xuyên qua dây quấn hai chu kỳ khi rôto quay một vòng, như vậy một chu kỳ tương ứng một đôi cực từ. Máy có sáu cực từ, phải sinh ra ba chu kỳ khi rôto quay một vòng , Tóm lại, máy có p đôi cực từ và quay với tốc độ n thì tần số là: f f n p hay n (1-25) p Trong đó: f (Hz) là tần số; p là số đôi cực từ; n (vòng/giây) tốc độ rôto. Như đã biết, máy có bốn cực từ, rôto dịch chuyển một góc 360o tương ứng với 720o của sự tuần hoàn. Do đó để phân biệt giữa độ của đại lượng điện và độ của sự dịch chuyển trong không gian, như đã biết từ trước là dùng góc độ điện (hay góc độ thời gian) và góc độ không gian. Như đã trình bày trên hình 1-11c, quan hệ giữa góc độ điện và góc độ không gian khi máy có p đôi cực từ là : Âäü âiãûn âäü khänggian p Trong giáo trình này thường dùng đơn vị đo góc của đại lượng điện bằng góc độ điện hoặc radian điện. Bước cực là khoảng cách giữa hai cực từ liên tiếp nhau (tương ứng với một cực từ) có số đo bằng 180o điện hay bằng radian điện. 1.8. CÁC VẬT LIỆU CHẾ TẠO MÁY ĐIỆN Vật liệu chế tạo máy điện gồm vậy liệu cấu trúc, vật liệu tác dụng và vật liệu cách điện. Vật liệu cấu trúc là vật liệu để chế tạo các chi tiết chịu các tác động cơ học như trục, ổ trục, thân máy, nắp. Vật liệu tác dụng là vật liệu dùng để chế tạo những bộ phận dẫn điện và từ. Còn vật liệu cách điện dùng để cách điện giữa phần dẫn điện với không dẫn điện và giữa các phần dẫn điện với nhau. 1.8.1. Vật liệu dẫn điện. Vật liệu dẫn điện để chế tạo máy điện tốt nhất là đồng vì chúng không đắt lắm và có điện trở suất nhỏ. Ngoài ra còn dùng nhôm và các hợp kim khác như đồng thau, đồng phốtpho. Dây đồng hoặc dây nhôm được chế tạo theo tiết điện tròn hoặc tiết điện chữ nhật có bọc cách điện. Với những máy có công suất nhỏ và trung bình, điện áp dưới 1000V thường dùng dây dẫn bọc êmay vì lớp cách điện của nó mỏng và đạt độ bền yêu cầu. Đặc tính một số vật liệu dẫn điện như trên bảng 1-1 Bảng 1-1: Đặc tính của một số vật liệu dẫn điện Khối lượng Điện trở suất ở Hệ số nhiệt Hệ số dẫn nhiệt Vật liệu kg .mm 2 1 W riêng 15oC điện trở dm3 m o C cm.o C Đồng 8,89 0,0175 0,00393 3,83 Nhôm 2,70 0,0283 0,00400 2,10
1.8.2. Vật liệu dẫn từ Vật liệu dẫn từ trong máy điện là vật liệu sắt từ như thép kỹ thuật điện, gang, thép đúc, thép rèn Đường cong từ hóa của một số vật liệu dẫn từ trình bày trên hình 1-12, ta thấy thép kỹ thuật điện có đặc tính từ hóa tốt nhất. Ở các phần dẫn từ có từ thông biến đổi với tần số 50Hz thường dùng thép lá kỹ thuật điện dày 0,35  1mm, trong thành phần thép có từ 2  B[T] 2.0 5% silíc để tăng điện trở của Thép KTĐ thép, giảm dòng điện xoáy. 1-6 Thép kỹ thuật điện được chế Thép lá tạo bằng phương pháp cán 1-2 nóng hoặc cán nguội. Hiện nay thường dùng thép cán nguội để 0.8 chế tạo các máy điện vì thép gang cán nguội có độ từ thẩm cao 0.4 hơn và suất tổn hao nhỏ hơn H[At/m] thép cán nóng. 500 1000 1500 2000 2500 3000 Ở các phần dẫn từ có từ thông không đổi thường dùng Hình 1-12 Đường cong từ hóa của một số vật liệu thép đúc, thép rèn, hoặc thép lá. 1.8.3. Vật liệu cách điện Vật liệu cách điện trong máy điện phải có cường độ cách điện cao, chịu nhiệt tốt, tản nhiệt tốt, chống ẩm và bền về cơ học. Cách điện bọc dây dẫn chịu được nhiệt độ cao thì nhiệt độ cho phép của dây dẫn càng lớn và dây dẫn chịu được dòng tải lớn. Chất cách điện của máy điện phần lớn ở thể rắn và gồm có 4 nhóm: a) Chất hữu cơ thiên nhiên như giấy, lụa b) Chất vô cơ như amiăng, mica, sợi thủy tinh. c) Các chất tổng hợp. d) Các loại men và sơn cách điện. Chất cách điện tốt nhất là mica nhưng đắt. Giấy, vải, sợi rẻ nhưng dẫn nhiệt và cách điện kém, dễ bị ẩm. Vì vậy chúng phải được tẩm sấy để cách điện tốt hơn. Căn cứ độ bền nhiệt, vật liệu cách điện được chia ra các cấp như bảng 1-2. Bảng 1-2 : Các cấp cách điện thường gặp Y A E B F H C 900 C 1050C 1200C 1350C 1550C 1800C >1800C Ngoài ra còn có chất cách điện ở thể khí (không khí) và thể lỏng (dầu biến áp). Khi máy điện làm việc, do tác động của nhiệt độ, chấn động và các tác động lý hóa khác cách điện sẽ bị lão hóa nghĩa là mất dần các tính bền về điện và cơ. Thực
nghiệm cho biết, khi nhiệt độ tăng quá nhiệt độ làm việc cho phép 8-100C thì tuổi thọ của vật liệu cách điện giảm đi một nửa. 1.9. PHÁT NÓNG VÀ LÀM MÁT MÁY ĐIỆN Trong quá trình biến đổi năng lượng luôn có sự tổn hao. Tổn hao trong máy điện gồm tổn hao sắt từ (do hiện tượng từ trễ và dòng xoáy) trong thép, tổn hao đồng trong dây quấn và tổn hao do ma sát (ở máy điện quay). Tất cả các tổn hao năng lượng đều biến thành nhiệt làm cho máy điện nóng lên. Để làm mát máy điện, phải có biện pháp tản nhiệt ra môi trường xung quanh. Sự tản nhiệt không những phụ thuộc vào bề mặt làm mát của máy mà còn phụ thuộc vào sự đối lưu không khí xung quanh hoặc của môi trường làm mát khác như dầu máy biến áp Thường vỏ máy điện được chế tạo có các cánh tản nhiệt và máy điện có hệ thống quạt gió để làm mát. Kích thước của máy, phương pháp làm mát phải được tính toán và lựa chọn để cho độ tăng nhiệt của vật liệu cách điện trong máy không vượt quá độ tăng nhiệt cho phép, đảm bảo cho vật liệu cách điện làm việc lâu dài, tuổi thọ của máy khoảng 20 năm. Khi máy điện làm việc ở chế độ định mức, độ tăng thiệt của các phần tử không vượt quá độ tăng nhiệt cho phép. Khi máy quá tải độ tăng nhiệt của máy sẽ vượt quá nhiệt độ cho phép, vì thế không cho phép máy làm việc quá tải lâu dài. 1.10. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MÁY ĐIỆN Việc nghiên cứu máy điện gồm các bước sau: 1. Mô tả các hiện tượng vật lý xảy ra trong máy điện. 2. Dựa vào các định luật vật lý, viết phương trình toán học mô tả sự làm việc của máy điện. Đó là mô hình toán của máy điện. 3. Từ mô hình toán thiết lập mô hình mạch, đó là sơ đồ thay thế của máy điện. 4. Từ mô hình toán và mô hình mạch, tính toán các đặc tính và nghiên cứu máy điện, khai thác sử dụng theo các yêu cầu cụ thể.    
CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Cho biết sự khác nhau giữa cường độ từ trường và stđ? Đơn vị đo của mỗi đại lượng. 2. Liệt kê các quan hệ tương tự tồn tại trong mạch điện và mạch từ 3. Hiện tượng từ trễ là gì. Tổn hao từ trễ được xác định như thế nào? 4. Dòng điện xoáy là gì?. Tổn hao dòng xoáy phụ thuộc vào các các yếu tố nào? 5. Sự khác nhau giữa góc độ điện và góc hình học. Lúc nào thì hai góc này bằng nhau? 6. Tại sao máy điện khi làm việc lại đồng thời tạo ra được mômen và sđđ?     BÀI TẬP Bài số 1-1. Một mạch từ có từ trở  = 1500At/Wb. Trên mạch từ người ta quấn một cuộn dây bằng nhôm có số vòng là N = 200vòng, khi đặt điện áp một chiều U = 24V lên cuộn dây thì dòng điện là I = 3A. Xác định từ thông trong lõi thép và điện trở của cuộn dây. Đáp số : 0,40Wb; 8 Bài số 1-2. Một mạch từ được làm bằng các lá thép có chiều dài trung bình l = 1,3m và tiết diện ngang S = 0,024m2. Cuộn dây quấn trên mạch từ có N = 50vòng, điện trở R = 0,82 và khi nối nguồn một chiều vào cuộn dây thì dòng điện qua cuộn dây là 2A. Từ trở của mạch từ trong điều kiện này là  = 7425At/Wb. Xác định cường độ từ cảm và điện áp nguồn cung cấp. Đáp số : 0,56T; 1,64V Bài số 1-3. Một mạch từ có chiều dài trung bình l = 1,4m và tiết diện ngang S = 0,25m2. Dây quấn kích thích quấn trên mạch từ có N = 140vòng, điện trở R =30. Xác định điện áp nguồn cần thiết để từ cảm trong lõi bằng 1,56T và cường độ từ trường H. Cho rằng từ trở của mạch từ trong trương hợp này là  = 768At/Wb. Đáp số : 64,18V; 213,94 At/m Bài số 1-4. Một lõi thép hình xuyến được làm bằng vật liệu sắt từ có chiều dài trung bình l = 1,4m và tiết diện ngang S = 0,11m2. Độ từ thẩm của lõi thép là 1,206.10-3Wb/At.m. Xác định từ trở của mạch từ. Đáp số : 10553,3At/Wb
Bài số 1-5. Một mạch từ có chiều dài trung bình l = 1,4m và tiết diện ngang S = 2 0,06m . Độ từ thẩm tương đối của lõi thép là r = 2167. Cuộn dây quấn trên mạch từ có N = 340vòng, điện trở R = 64 và được nối nguồn một chiều 56V. Xác định từ thông trong lõi thép. Đáp số : 0,0347 Wb Bài số 1-6. Mạch từ như hình BT 1-6, có chiều dài trung bình l = 52cm và tiết diện ngang S = 18cm2. Chiều dài khe hở không khí 0,14cm. Cuộn dây quấn trên mạch từ có N = 100vòng, điện trở R = 64. Xác định điện áp nguồn một chiều cần thiết để có từ cản 1,18T trong khe hở. Sử dụng đặc tính từ hoá cho ở ví dụ 1-2. Đáp số : 1240,7V Bài số 1-7. Mạch từ như hình BT 1-7, có chiều dài trung bình l = 1,5m và tiết diện ngang S = 0,08m2. Lõi thép được làm bằng thép lá có đặc tính từ hoá như trình bày ở hình 1-10. Cuộn dây quấn trên mạch từ có N = 260vòng, điện trở R = 27,75 và được nối nguồn một chiều 240V. Xác định cường độ từ trường, từ cảm, từ thông trong lõi thép; từ thẩm tương đối của lõi thép và từ trở của mạch từ. Đáp số : 1499At; 1,3T; 0,104Wb; 690; 21621,62At/Wb I i 1 Nguồn DC N Nguồn DC N1 Hình BT 1-6 Hình BT 1-7 Bài số 1-8. Một mạch từ gồm hai nửa hình xuyến bằng vật liệu khác nhau được ghép lại thành một hình xuyến có tiết diện ngang S = 0,14m2 và từ trở tương ứng của hai nửa vòng xuyến là 650 At/Wb và 244 At/Wb. Cuộn dây có N = 268 vòng, R = 5,2 quấn trên mạch từ hình xuyến này được nối với nguồn một chiều có U = 45V. Tính  và stđ trên khe hở không khí khi tách hai nửa xuyến một khoảng  = 0,12cm ở mỗi đầu biết từ trở của mỗi nửa hình xuyến không đổi. Bài số 1-9. Một cuộn dây quấn trên lõi thép được cung cấp từ nguồn có f = 25Hz. Tổn hao từ trễ thay đổi thế nào khi cuộn dây được cung cấp từ nguồn có f = 60Hz với từ cảm giảm đi 60%? Cho hệ số Steinmetz n = 1,65 và điện áp nguồn bằng hằng số. Đáp số : -47,1% Bài số 1-10. Một thiết bị điện làm việc với điện áp định mức có tổn hao từ trễ là 250W. Tính tổn hao từ trễ khi tần số giảm còn 60% tần số định mức và điện áp giảm để từ cảm còn 80% từ cảm định mức biết n = 1,6.
Bài số 1-11. Một thanh dẫn dài 0,32m có điện trở 0,25 đặt vuông góc với từ trường đều có từ cảm B = 1,3T. Xác định điện áp rơi trên thanh dẫn khi lực tác dụng lên nó là 120N. Tính lại điện áp này nếu thanh dẫn nghiêng một góc  = 250. Đáp số : (a) 7,21V; (b) 7,96V Bài số 1-12. Một cuộn dây có N = 32 vòng với điện trở 1,56 đặt vuông góc với từ trường đều có từ cảm B = 1,34T. Mỗi cạnh của cuộn dây dài l = 54cm, cách trục quay đoạn d = 22cm và nghiêng một góc  = 80. Tính dòng điện của cuộn dây biết mômen tác dụng lên nó là 84Nm. Bài số 1-13. Xác định vận tốc của một thanh dẫn dài l = 0,54m biết rằng khi nó chuyển động trong từ trường B = 0,86 T thì sđđ cảm ứng trong nó là e = 30,6V. Đáp số : 65,89m/s Bài số 1-14. Một thanh dẫn dài l = 1,2 m chuyển động cắt vuông góc các đường sức từ của một từ trường đều B = 0,8T với vận tốc 5,2 m/s. Tính sđđ cảm ứng trong thanh dẫn. Đáp số : 4,992 V Bài số 1-15. Xác định tần số và sđđ hiệu dụng của một cuộn dây có 3 vòng dây quay với tốc độ n = 12vg/s trong từ trường của 4 cực từ với  = 0,28Wb/cực. Đáp số : 24Hz; 89,5V Bài số 1-16. Xác định tốc độ quay trong từ trường của 2 cực từ có  = 0,012Wb/cực để có được sđđ hiệu dụng e=24V trong một cuộn dây có N=25 vòng. Đáp số : 18 vg/s Bài số 1-17. Từ thông xuyên qua một cuộn dây có N = 20 vòng dây biến thiên theo quy luật  = 1,2sin(28t) Wb. Xác định (a) tần số và (b) trị số hiệu dụng của sđđ cảm ứng trong cuộn dây. Đáp số : (a) 4,46Hz; (b) 475,2V Bài số 1-18. Một cuộn dây quấn trên lõi thép được cung cấp từ nguồn xoay chiều có U = 120V, f = 25Hz. Tổn hao do dòng điện xoáy thay đổi thế nào khi cuộn dây được nối với nguồn có U = 120V, f = 60Hz. Đáp số : tăng 5,76 lần Bài số 1-19. Một thiết bị điện làm việc với điện áp và tần số định mức có tổn hao do dòng điện xoáy là 212,6 W. Xác định tổn hao do dòng điện xoáy nếu tần số giảm còn 60% tần số định mức và điện áp giảm còn 80% điện áp định mức. Đáp số : 48,98W    
Chƣơng 2 NGUYÊN LÝ MÁY BIẾN ÁP 2.1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 2.1.1. Vai trò và công dụng Để dẫn điện từ nhà máy phát điện đến hộ tiêu thụ cần phải có đường dây tải điện (hình 2-1). Thông thường khoảng cách từ nơi sản xuất điện đến hộ tiêu thụ lớn, một vấn đề đặt ra là việc truyền tải điện năng đi xa làm sao cho đảm bảo chất lượng điện áp và kinh tế nhất. MBA MBA Máy phát điện tăng áp gỉam áp Đường dây tải điện Hộ tiêu  thụ điện Hình 2-1 Sơ đồ cung cấp điện đơn giản Giả sử hộ tiêu thụ có công suất P, hệ số công suất cos , điện áp của đường dây truyền tải là U, thì dòng điện truyền tải trên đường dây là : P I Ucos Và tổn hao công suất trên đường dây: 2 2 P P R d I R d U2 cos2 Trong đó: Rd là điện trở đường dây tải điện và cos là hệ số công suất của lưới điện, còn là góc lệch pha giữa dòng điện I và điện áp U. Từ các công thức trên cho ta thấy, cùng một công suất truyền tải trên đường dây, nếu điện áp truyền tải càng cao thì dòng điện chạy trên đường dây sẽ càng bé, do đó trọng lượng và chi phí dây dẫn sẽ giảm xuống, tiết kiệm được kim loại màu, đồng thời tổn hao năng lượng trên đường dây sẽ giảm xuống. Mặt khác để đảm bảo chất lượng điện năng trong hệ thống điện, với đường dây dài không thể truyền dẫn ở điện áp thấp. Vì thế, muốn truyền tải công suất lớn đi xa người ta phải dùng điện áp cao, thường là 35, 110, 220, 500kV . Trên thực tê, các máy phát điện chỉ phát ra điện áp từ 3  21kV, do đó phải có thiết bị tăng điện áp ở đầu đường dây. Mặt khác các hộ tiêu thụ thường yêu cầu điện áp thấp, từ 0.4  10kV, vì vậy cuối đường dây phải có thiết bị giảm điện áp xuống. Thiết bị dùng để tăng điện áp ở đầu đường dây và giảm điện áp cuối đường dây gọi là máy biến áp (MBA). Như vậy MBA dùng để truyền tải và phân phối điện năng. Nguyên lý làm việc của máy biến áp dựa trên các công trình của Michael Faraday. Ông đã phát hiện ra hiện tượng cảm ứng điện từ, thể hiện ở chỗ cho hai
cuộn dây có liên hệ từ, khi thay đổi dòng điện trong một cuộn thì trong cuộn kia xuất hiện sđđ cảm ứng. Sđđ cảm ứng này được gọi là sđđ biến áp và các cuộn dây bố trí kiểu này được gọi là máy biến áp. 2.1.2. Định nghĩa Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp nầy thành một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp khác, với tần số không thay đổi. 2.2. CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP Cấu tạo MBA gồm ba bộ phận chính (hình 2-2): lõi thép, dây quấn và vỏ máy. 2.2.1. Lõi thép máy biến áp Lõi thép MBA dùng để dẫn từ thông, được chế tạo bằng các vật liệu dẫn từ tốt, thường là thép kỹ thuật điện, có bề dày từ 0,35 1 mm, mặt ngoài các lá thép có phủ sơn cách điện rồi ghép lại với nhau thành lõi thép. Lõi thép gồm hai phần: Trụ và Gông. Trụ T là phần để đặt dây quấn còn gông G là phần nối liền giữa các trụ để tạo thành mạch từ kín. G Dây quấn cao áp G G T T G T G G G G Dây quấn hạ áp (a) (b) Hình 2-2 Mạch từ MBA một pha. a) kiểu trụ. b) kiểu bọc 2.2.2. Dây quấn MBA Nhiệm vụ của dây quấn MBA là nhận năng lượng vào và truyền năng lượng ra. Dây quấn MBA thường làm bằng dây dẫn đồng hoặc nhôm, tiết diện tròn hay chữ nhật, bên ngoài dây dẫn có bọc cách điện. Dây quấn gồm nhiều vòng dây và lồng vào trụ thép. Giữa các vòng dây, giữa các dây quấn và giữa dây quấn và 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 điện áp thấp đặt sát trụ thép còn dây quấn điện áp cao đặt bên ngoài. Làm như vậy sẽ giảm được vật liệu cách điện.
(a) (b) (c) (d) Hình 2-3. Dây quấn Máy biến áp DDây quấn MBA có hai loại chính như : a. Dây quấn đồng tâm : ở dây quấn đồng tâm tiết diện ngang là những vòng tròn đồng tâm. Những kiểu dây quấn đồng tâm chính gồm : Dây quấn hình trụ (hình 2-3a,b), dùng cho cả dây quấn hạ áp và cao áp; Dây quấn hình xoắn (hình 2- 3c), dùng cho dây quấn hạ áp có nhiều sợi chập; dây quấn hình xoáy ốc liên tục (hình 2-3d), dùng cho dây quấn cao áp, tiết diện dây dẫn chữ nhật . b. Dây quấn xem kẻ : Các bámh dây cao áp và hạ áp lần lượt xen kẻ nhau dọc theo trụ thép. 2.2.3. Vỏ MBA. Vỏ MBA làm bằng thép gồm hai bộ phận : thùng và nắp thùng. a. Thùng MBA: Trong thùng MBA (hình 2-4) đặt lõi thép, dây quấn và dầu biến áp. Dầu biến áp làm nhiệm vụ tăng cường cách điện và tản nhiệt. Lúc MBA làm việc, một phần năng lượng tiêu hao thoát ra dưới dạng nhiệt làm dây quấn, lõi thép và các bộ phận khác nóng lên. Nhờ sự đối lưu trong dầu và truyền nhiệt từ các bộ phận bên trong MBA sang dầu và từ dầu qua vách thùng ra môi trường xung quanh. b. Nắp thùngMBA: Dùng để đậy trên thùng và trên đó có các bộ phận quan trọng như sau: + Sứ ra của dây quấn cao áp và dây quấn hạ áp. + Bình dãn dầu (bình dầu phụ) có ống thủy tinh để xem mức dầu. + Ống bảo hiểm : làm bằng thép, thường làm thành hình trụ nghiêng, một đầu nối và thông với thùng, một đầu bịt bằng một đĩa thuỷ tinh. Nếu vì lý do nào đó, áp suất trong thùng tăng lên đột ngột, đĩa thuỷ tinh sẽ vỡ, khí chứa trong máy biến áp theo đó thoát ra ngoài để máy biến áp không bị hỏng.
+ Lỗ nhỏ đặt nhiệt kế. + Rơle hơi dùng để bảo vệ MBA. + Bộ truyền động cầu dao đổi nối các đầu điều chỉnh điện áp của dây quấn cao áp. Để hiểu rõ hơn về máy biến áp ta xem hình dáng bên ngoài máy biến áp ba pha hai dây quấn công suất 250kVA, điện áp 22/0.4kV của nhà máy Thiết bị điện (hình 2-5). Hình 2-4 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. Ông 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- Võ thùng; 23.Bộ tản nhiệt; 24. Cáp cấp điện cho động cơ; 25. Động cơ qụat gió làm mát. 26. Bộ truyền động chuyển mạch. 2.2.4. Các đại lƣợng định mức MBA Các đại lượng định mức của MBA qui định điều kiện kỹ thuật của máy. Các đại lượng nầy do nhà máy chế tạo qui định và ghi trên nhãn của MBA. 1. Dung lượng (công suất định mức) Sđm [VA hay kVA] là công suất toàn phần hay biểu kiến đưa ra ở dây quấn thứ cấp của MBA. 2- Điện áp sơ cấp định mức U1đm [V hay kV] là điện áp của dây quấn sơ cấp.
3. Điện áp thứ cấp định mức U2đm [V hay kV] là điện áp của dây quấn thứ cấp khi MBA đầy tải và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức. Chú ý: Ở Việt Nam hiện nay qui định, điện áp thứ cấp định mức U2đm là điện áp của dây quấn thứ cấp khi MBA không tải và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức. Có một số MBA đang vận hành trong các trạm được chế tạo như vậy. 4. Dòng điện sơ cấp và thứ cấp định mức I1đm, I2đm [A hay kA] là những dòng điện của dây quấn sơ cấp và thứ cấp ứng với công suất và điện áp định mức. Sâm Sâm Đối với MBA một pha: I1âm ; I2âm (2-1) U1âm U2âm Sâm Sâm Đối với MBA ba pha: I1âm ; I2âm (2-2) 3U1âm 3U2âm Chú ý : Nếu MBA là ba pha thì dòng điện và điện áp định mức ghi trên nhãn MBA là dòng điện và điện áp dây. 5. Tần số định mức fđm[Hz]. Các MBA điện lực có tần số công nghiệp 50Hz. Ngoài ra trên nhãn MBA còn ghi các số liệu khác như : số pha m, sơ đồ nối dây và tổ nối dây Hçnh 2-5 MBA dáöu ba pha, hai dáy quáún 2.2.5. Các loại máy biến áp chính 1. MBA điện lực dùng để truyền tải và phân phối công suất trong hệ thống điện lực.
2- MBA chuyên dùng cho các lò luyện kim, cho các thiết bị chỉnh lưu, máy biến áp hàn 3. MBA tự ngẫu dùng để liên lạc trong hệ thống điện, mở máy động cơ không đồng bộ công suất lớn. 4. MBA đo lường dùng để giảm điện áp và dòng điện lớn đưa vào các dụng cụ đo tiêu chuẩn hoặc để điều khiển. 5. MBA thí nghiệm dùng để thí nghiệm điện áp cao. MBA có rất nhiều loại song thực chất hiện tượng xảy ra trong chúng đều giống nhau. Để thuận tiện cho việc nghiên cứu, sau đây ta xét MBA điện lực một pha hai dây quấn. 2.3. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP Ta xét sự làm việc của một máy biến áp lí tưởng, là máy biến áp có các tính chất sau: - Cuộn dây không có điện trở. - Từ thông chạy trong lõi thép móc vòng với hai dây quấn, không có từ thông tản và không có tổn hao trong lõi thép. - Độ từ thẩm của thép rất lớn, nên dòng từ hoá cần phải có để sinh ra từ thông trong lõi thép là rất nhỏ, có thể bỏ qua. Do vậy stđ cần để sinh ra từ thông trong lõi thép cho bằng không.  i M i 1 2 + + e1 u Phụ tải u1 e2 2 _ _ Hình 2-6. Nguyên lý làm việc của máy biến áp có hai dây quấn Hình 2-6 vẽ sơ đồ nguyên lý của MBA một pha gồm lõi thép và hai dây quấn. Dây quấn sơ cấp có số vòng dây N1 được nối với nguồn điện áp xoay chiều và các đại lượng phía dây quấn sơ cấp thường ký hiệu có chỉ số 1 kèm theo như u1, i1, e1, Dây quấn thứ cấp có N2 vòng dây, cung cấp điện cho phụ tải Zt và các đại lượng phía dây quấn thứ cấp có chỉ số 2 kèm theo như u2, i2 , e2, Khi đặt điện áp u1 lên dây quấn sơ cấp, trong dây quấn sơ cấp sẽ có dòng điện i1 chảy qua, trong lõi thép sẽ sinh ra từ thông  móc vòng với cả hai dây quấn. Từ thông này cảm ứng trong dây quấn sơ và thứ cấp các sđđ e1 và e2- Dây quấn thứ cấp có tải sẽ sinh ra dòng điện i2 đưa ra tải với điện áp u2- Như vậy năng
lượng của dòng điện xoay chiều đã được truyền từ dây quấn sơ cấp sang dây quấn thứ cấp. Giả thử điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là hình sin, thì từ thông  do nó sinh ra cũng là hàm số hình sin và có dạng :  max sint (2-3) Theo định luật cảm ứng điện từ, các sđđ cảm ứng e1, e2 sinh ra trong dây quấn sơ cấp và thứ cấp MBA là: d e N N  sin(t 90 0 ) 2E sin(t 90 0 ) (2-4) 1 1 dt 1 max 1 d e N N  sin(t 90 0 ) 2E sin(t 90 0 ) (2-5) 2 2 dt 2 max 2 trong đó, E1, E2 là trị số hiệu dụng của sđđ sơ cấp và thứ cấp, cho bởi: N1max E1 2fN1max 4,44fN1max (2-6) 2 N2max E2 2fN 2max 4,44fN 2max (2-7) 2 Tỉ số biến áp a của MBA: E N a 1 1 (2-8) E2 N2 Do giả thiết MBA là lý tưởng, nên bỏ qua sụt áp gây ra do điện trở và từ thông tản của dây quấn, như vậy thì E1 = U1 và E2 = U2 : E N U a 1 1 1 (2-9) E2 N2 U2 Và công suất trong MBA thì: U1I1 = U2I2 Như vậy, ta có: U I 1 2 a (2-10) U2 I1 Nếu số nòng N2 > N1 thì điện áp U2 > U1 và I2 I1 : MBA giảm áp. Điện áp trên tải bằng dòng điện thứ cấp nhân với tổng trở tải Zt:  UIZ2 2 t (2-11) Nên tổng trở vào ZV của máy biến áp lý tưởng là: 2 U N U Z 1 1 2 a 2Z (2-12) V   t I1 N2 I2 Mạch điện thay thế của máy biến áp lý tưởng trong trường hợp này được trình bày trên hình 2-7a,b    I1 I2 I 1  Z  a2Z U2 t U1 t (a) (b)
VÍ DỤ 2-1 Một máy biến áp một pha có công suất Sđm = 15kVA, U1đm = 2400V, U2đm = 240V, f = 60Hz, tiết diện ngang của lõi thép và chiều dài trung bình của mạch từ tương ứng là 50cm2 và 66,7cm. Khi đặt vào dây quấn sơ cấp điện áp 2400V thì cường độ từ trường là 450At/m và từ cảm cực đại 1,5 T. Xác định : a. Tỉ số biến áp. b. Số vòng dây của mỗi dây quấn. c. Dòng điện từ hoá để sinh ra từ thông trong lõi thép. Bài giải a. Tỉ số biến áp (vòng). E N U 2400 a 1 1 1 10 E2 N2 U2 240 b. Số vòng dây của mỗi dây quấn. Từ thông cực đại trong lõi thép : 4 3 max Bmax S 1,5 50.10 7,5.10 Wb Số vòng của dây quấn sơ và dây quấn thứ : E1 E1 4,44fN1max N1 4,44fmax 2400 N 1201 vòng 1 4,44.60.7,5.10 3 N2 = N1/10 = 1201/10 = 120 vòng. c. Dòng điện từ hoá để sinh ra từ thông trong lõi thép Ta có công thức : N I H 1 M l Trong đó : H là cường độ từ trường N1 là số vòng dây của dây quấn sơ IM là dòng điện từ hoá
l là chiều dài trung bình của lõi thép. Thế các thông số vào, ta được dòng điện từ hoá : H.l 450 0,667 IM 0,25 A N1 1201 2.4. TỔ NỐI DÂY MÁY BIẾN ÁP Để MBA ba pha có thể làm việc được các dây quấn pha sơ cấp và thứ cấp phải được nối với nhau theo một qui luật nhất định. Ngoài ra, sự phối hợp kiểu nối dây quấn sơ cấp với kiểu nối dây quấn thứ cấp cũng hình thành các tổ nối dây quấn khác nhau. Hơn nữa khi thiết kế MBA, việc quyết định dùng tổ nối dây quấn cũng phải thích ứng với kết cấu của mạch từ để tránh những hiện tượng không tốt như : sđđ pha không sin, tổn hao phụ tăng, 2.4.1. Cách ký hiệu các đầu dây Một cuộn dây có hai đầu tận cùng: một đầu gọi là đầu đầu; còn đầu kia gọi là đầu cuối. Đối với dây quấn MBA một pha : Đầu đầu hoặc đầu cuối chọn tùy ý. Đối với dây quấn MBA ba pha, các đầu đầu và đầu cuối chọn một cách thống nhất theo một chiều nhất định. Giả sử dây quấn pha A đã chọn đầu đầu đến đầu cuối đi theo chiều kim đồng hồ (hình 2-8a) thì dây quấn pha B và C còn lại cũng phải được chọn như vậy. Điều này rất quan trọng nếu không điện áp của ba pha sẽ không đối xứng. Trên hình 2-8b cho ta thấy điện áp dây và pha của MBA ba pha khi pha A ký hiệu ngược. C B C A UCA A A UCA X Y Z UAB B (a) (b) Hình 2-8 Đánh dấu đầu dây MBA Để đơn giản và thuận tiện cho việc nghiên cứu, người ta thường đánh dấu các đầu tận cùng lên sơ đồ dây quấn của MBA với qui ước sau dây : Đầu tận cùng Cao áp Hạ áp Trung áp Đầu đầu A,B,C a,b,c Am,Bm,Cm
Đầu cuối X,Y,Z x,y,z Xm,Ym,Zm Trung tính 0 hay N o hay n Om 2.4.2. Các kiểu đấu dây quấn a) Đấu hình sao (Y) : Đấu ba điểm cuối X,Y,Z lại với nhau (Hình 2-9) A B C B B A B C C C A A X Y Z X Y Z Hình 2-9 Đấu hình sao Hình 2-10 Đấu tam giác b) Đấu hình tam giác ( ) : Đấu điểm đầu của pha này nối với điểm cuối pha kia (Hình 2-10) c) Đấu zíc-zắc (Z) : Mỗi pha dây quấn MBA gồm hai nửa cuộn dây trên hai trụ khác nhau mắc nối tiếp và đấu ngược chiều nhau (Hình 2-11). Kiểu dây quấn này ít dùng vì tốn đồng nhiều hơn, loại này chủ yếu gặp trong MBA dùng cho thiết bị chỉnh lưu. A B C C c A -b a b B X Y Z Hình 2-11 Đấu Zic- Zắc 2.4.3. Tổ nối dây của MBA. Tổ nối dây MBA được hình thành do sự phối hợp kiểu đấu dây quấn sơ cấp so với kiểu đấu dây quấn thứ cấp. Nó biểu thị góc lệch pha giữa sđđ dây của dây quấn sơ cấp và sđđ dây của dây quấn thứ cấp và góc lệch pha này phụ thuộc vào các yếu tố sau : + Chiều quấn dây, + Cách ký hiệu các đầu dây ra,
+ Kiểu đấu dây quấn sơ cấp và thứ cấp Ta xét MBA một pha có hai dây quấn (hình 2-12): sơ cấp AX và thứ cấp ax sau đây. Nếu hai dây quấn được quấn cùng chiều trên trụ thép, ký hiệu các đầu dây như nhau (hai dây quấn cùng chiều và kí hiệu tương ứng trên hình 2-12a) thì sđđ cảm ứng trong chúng khi có từ thông biến thiên đi qua sẽ hoàn toàn trùng pha nhau. Khi đổi chiều quấn dây một trong hai dây quấn, ví dụ của dây quấn thứ cấp ax (hình 2-12b) hoặc đổi kí hiệu đầu dây một trong hai dây quấn, ví dụ của dây quấn thứ cấp ax (hình 2-12c) thí sđđ cảm ứng trong chúng sẽ hoàn toàn ngược pha nhau. A A A E X AX X X a a x x x a o o 180 180 (a) o (b) (c) 360  Eax Hình 2-12 Sự lệch pha của MBA một pha Như vậy tổ nối dây của MBA một pha: kể từ vector sđđ sơ cấp đến vector sđđ thứ cấp theo chiều kim đồng hồ: o o + Trường hợp hình 2-12a : góc lệch pha 360 hay 0 . + Trường hợp hình 2-12b, c : góc lệch pha 180o Tổ nối dây của MBA ba pha : MBA ba pha, do nối Y & với những thứ tự khác nhau mà góc lệch pha giữa sđđ dây sơ cấp và thứ cấp là 30o, 60o, 90o, , 360o. Thực tế không dùng độ để chỉ góc lệch pha mà dùng kim đồng hồ (hình 2-13) để biểu thị và gọi tên tổ nối dây MBA, cách biểu thị như sau: Hình 2-13 Biểu thị góc lệch pha
+ Kim dài cố định ở con số 12, chỉ sđđ sơ cấp. + Kim ngắn chỉ 1, 2, , 12 ứng 30o, 60o, , 360o chỉ sđđ thứ cấp. Trường hợp MBA một pha : + Trường hợp hình 2-12a : I/I-12. + Trường hợp hình 2-12b,c : I/I-6. Trường hợp MBA ba pha : + MBA ba pha nối Y/Y: A B C B EAB EAB C Eab a b c E ab b A 360o c Y/Y -12 x y z a Hình 2-14 Tìm tổ nối dây Ví dụ một MBA ba pha có dây quấn sơ và dây quấn thứ nối hình sao, cùng chiều quấn dây và cùng ký hiệu các đầu dây (hình 2- 14) thì vector sđđ pha giữa hai dây quấn hoàn toàn trùng nhau và góc lệch pha giữa hai điện áp dây sẽ bằng 360o hay 0o. Ta nói MBA thuộc tổ nối dây 12 và ký hiệu là Y/Y-12 hay Y/Y-0. Để nguyên dây quấn sơ, dịch ký hiệu dây quấn thứ a b, b c, c a ta có tổ đấu dây Y/Y-4, dịch tiếp một lần nữa ta có tổ đấu dây Y/Y-8. Nếu đổi chiều dây quấn thứ ta có tổ đấu dây Y/Y-6,10,2- Như vậy MBA khi nối Y/Y có tổ nối dây là số chẵn. + MBA ba pha nối Y/ : A B C B EAB E AB C Eab a b c b o A Eab c 330 Y/Y -11 x a y z Hình 2-15. Tìm tổ nối dây MBA nối Y/
Ví dụ cũng MBA ba pha có dây quấn sơ nối hình sao và dây quấn thứ nối hình tam giác, cùng chiều quấn dây và cùng ký hiệu các đầu dây (hình 2- 15) thì vector sđđ pha giữa hai dây quấn hoàn toàn trùng nhau và góc lệch pha giữa hai điện áp dây sẽ bằng 330o. Ta nói MBA thuộc tổ nối dây 11 và ký hiệu là Y/ -11. Để nguyên dây quấn sơ, dịch kí hiệu dây quấn thứ a b, b c, c a thì ta có tổ đấu dây Y/ -3, dịch tiếp một lần nữa ta có tổ đấu dây Y/ -7. Nếu đổi chiều dây quấn thứ ta có tổ đấu dây Y/ -5,9,1. Như vậy MBA khi nối Y/ , ta có tổ nối dây là số lẽ. 2.5. MẠCH TỪ CỦA MÁY BIẾN ÁP Theo cấu tạo của lõi thép người ta chia mạch từ của máy biến áp thành hai loại: máy biến áp có mạch từ chung và máy biến áp có mạch từ riêng. Hệ thống mạch từ riêng là hệ thống mạch từ mà từ thông của ba pha khép mạch trong các lõi thép riêng biệt, độc lập với nhau. Một hệ thống ba máy biến áp một pha ghép lại thành máy biến áp ba pha (tổ máy biến áp ba pha) là máy biến áp có hệ thống mạch từ riêng. Hệ thống mạch từ chung là hệ thống mạch từ mà từ thông ba pha có những đoạn chung nhau, ví dụ như máy biến áp ba pha ba trụ. Kết cấu của hệ thống mạch từ chung là kết quả của sự biến đổi hệ thống mạch từ riêng. Thật vậy giả sử ta có tổ máy biến áp ba pha như hình 2-6a.   A C B (a) (b) (c) Hình 2-16 Kết cấu hệ thống mạch từ MBA Do điện áp đưa vào máy biến áp là điện áp ba pha đối xứng nên :    UABC U U 0 (2-13) Do đó từ thông của ba pha sẽ là    ABC   0 (2-14)
Như vậy trụ chung trở nên không cần thiết và ta có thể cắt bỏ nó để tạo thành hệ mạch từ không gian (hình 2-16b). Kết cấu này chỉ được dùng trong một số loại máy biến áp. Để đơn giản cho việc chế tạo ta giảm bớt chiều dài gông của pha giữa và có được hệ thống mạch từ chung (hình 2-16c). Kết cấu mạch từ kiểu như hình 2-16c không đối xứng. Ta xét mạch từ hình 2-17a. Quan niệm mạch từ như mạch điện, khi từ thông đi trên đoạn DEda thì từ áp rơi trên đoạn này là A (RT + RG) với RT , RG là từ trở của trụ và phần gông trên hoặc gông dưới. Tương tự từ áp rơi trên DbcE là C (RT + RG) và trụ B từ áp rơi là BRT. Theo định luật Kirchhoff 2 ta có : - đối với đoạn mạch từ DEdaD:  ATGBTAB R 2R  R F F (2-15) - đối với đoạn mạch từ DbcED:  CTGBTCB R 2R  R F F (2-16) Mặt khác:    FABC F F 0 (2-17) nên: 2 F R 2R  R  (2-18a) ATGAGB3 2 FRR   (2-18b) BTBGB3 2 F R 2R  R  (2-18c) CTGCGB3  B a b D F B A B C E d c F F C A  C  A (a) (b) Hình 2-17   Như vậy theo (2-18b), stđ FB chỉ phụ thuộc vào B nên trùng pha với nó.   Ngược lại các stđ FA và FC là tổng của hai stđ nên không trùng pha với các từ thông tương ứng (hình 2-17b), nghĩa là chúng không đối xứng. Các dòng điện tạo ra các stđ này (dòng điện từ hóa) sẽ không đối xứng. Sự không đối xứng của dòng
điện thể hiện khá rõ ở các máy biến áp có dung lượng bé. Khi công suất tăng sự không đối xứng giảm đi rõ rệt. Dòng điện không tải là trung bình số học của các dòng điện không tải của các pha. Do dòng điện không tải thường chỉ (1  6)%Iđm nên sự không đối xứng của dòng điện không tải chỉ thể hiện khi phụ tải nhỏ. 2.6. CHẾ ĐỘ KHÔNG TẢI CỦA MÁY BIẾN ÁP Khi máy biến áp làm việc không tải, phía sơ cấp đặt vào u1, phía thứ cấp để hở mạch (hình 2-18a). Dòng điện đưa vào phía sơ cấp là dòng không tải I0 (dòng điện kích thích) đủ để tạo ta từ thông cần cho máy biến áp làm việc và bù với tổn hao do từ trễ và dòng điện xoáy trong lõi thép. Dòng điện không tải có độ lớn khoảng (1  6)%Iđm. Dòng điện không tải này gồm có hai thành phần: thành phần lõi thép cung cấp năng lượng bù với tổn hao trong lõi thép và thành phần từ hóa dùng để tạo ra từ thông hỗ cảm M trong lõi thép. Trong điều kiện này, máy biến áp làm việc như một cuộn kháng. Các thành phần này được vẽ trên hình 2-18b,c và tạo nên mô hình mạch của máy biến Máp khi làm việc không tải. K i1 = i0 u1 ES ET Z t F1 (a)   I0 U1 I  fe IM + o U 1 Rfe jXM _ (c) (b) Hình 2-18 Chế độ làm việc không tải của MBA Từ mô hình mạch ta có:
U I 1 Fe R fe   U1 IM jX M    I0 Ife IM (2-19) Trong đó:  I0 – dòng điện không tải.  Ife – Thành phần tổn hao trong lõi thép.  IM – Thành phần sinh ra từ thông. XM – điện kháng từ hoá đặt trưng cho dòng điện từ hoá Rfe – điện trở đặt trưng cho tổn hao sắt trong lõi thép.  U1 điện áp nguồn cung cấp. STĐ không tải và các thành phần của nó Theo công thức (2-19), ta có stđ không tải:    N1 I0 = N1 Ife + N1 IM (2-20)  Thành phần stđ N1Ife không tạo ra từ thông hỗ cảm trong lõi thép. Nó dùng để tạo ra công suất bù với tổn hao do dòng điện xoáy và từ trễ trong lõi thép. Nếu  không có tổn hao trong lõi thép, thành phần N1Ife không tồn tại.  Thành phần N1IM gọi là stđ từ hóa, dùng để tạo ra từ thông hỗ cảm trong lõi thép. Ta có thể tính từ thông này theo: N1IM M (2-21) R  Trong đó: IM – dòng điện từ hoá M – từ thông được sinh ra bởi thành phần từ hoá của dòng không tải. R – từ trở của lõi thép MBA Áp dụng định luật Kirchhoff 2 đối với cuộn dây sơ cấp ở hình 2-18a và chú ý rằng i1 = i0 khi không tải:    U1 I1R1 ES (2-22)    U1 ES I1 (2-23) R1  Trong đó: U1 - điện áp nguồn đặt vào cuộn dây sơ cấp  I1 - dòng điện sơ cấp  ES - sđđ cảm ứng trong cuộn dây sơ cấp R1 điện trở dây quấn sơ cấp
Các hiện tượng xẩy ra trong máy biến áp khi không tải khá phức tạp. Ta sẽ xét cụ thể hiện tượng xảy ra trong máy biến áp một pha và ba pha.   i o io(t)  io t Hçnh 2-19 Doìng tæì hoïa khi coï täøn hao Trước hết ta xét một máy biến áp một pha. Ta đưa điện áp xoay chiều hình sin u1 = U1msint vào cuộn sơ cấp của máy biến áp. Trong lõi thép xuất hiện từ thông hỗ cảm . Ta có: d u e N (2-24) 1 1 1 dt nên từ thông cũng biến thiên hình sin và chậm sau điện áp u1 một góc /2: 0  m sin(t 90 ) (2-25) Quan hệ (io) cũng chính là quan hệ B(H) vì   B và io  H. Vì vậy từ (io) và (t) ta xác định được io(t) như hình 2-19. Như vậy, do tính chất phi tuyến của mạch từ, khi từ thông biến thiên hình sin, dòng điện không tải có dạng nhọn đầu. Ta có thể phân tích dòng điện này thành các thành phần điều hòa bậc 1 và bậc cao: io(t) = io1(t) + io3(t) +  Trong các thành phần bậc cao thì thành phần bậc 3 là lớn nhất. Do đó ta có thể nói dòng điện không tải không hình sin là do tồn tại thành phần io3. Bây giờ ta xét trường hợp máy biến áp ba pha. Khi không tải dòng điện bậc ba trong các pha ở máy biến áp ba pha là : io3A = Io3msin3t (2-26a) 0 io3B = Io3msin3(t - 120 ) = Io3msin3t (2-26b) 0 io3C = Io3msin3(t - 240 ) = Io3msin3t (2-26c) Như vậy dòng điện không tải bậc ba ở ba pha trùng pha nhau về thời gian nghĩa là tại mọi thời điểm chúng đều chạy trong các dây quấn của các pha theo một chiều giống nhau, ví dụ từ đầu đến cuối dây quấn. Chúng có thể sẽ không tồn tại trong một số cách nối dây. a. Máy biến áp nối Y/Y: Do dây quấn sơ cấp nối Y nên thành phần bậc ba không tồn tại. Như vậy ta nói dòng điện không tải có dạng hình sin. Theo quan hệ (io) và io(t) ta thấy (t) có dạng không sin(bằng đầu).
Từ thông không sin này được phân tích thành thành phần bậc một và các thành 1  phần bậc cao khác trong đó 3 thành phần bậc ba là lớn nhất. Trong tổ máy biến áp ba pha từ thông bậc ba khép mạch trong các mạch từ riêng biệt nên có trị số tương đối lớn, có thể tới (15  20)%đm. Từ thông bậc một e=e1+e3 e và bậc ba cảm ứng ra s.đ.đ e1 3 vượt trước chúng một góc /2 (hình 2-20). Trị số s.đ.đ bậc ba khá lớn có thể tới (45  60)%E1. Như vậy s.đ.đ tổng trong máy có dạng nhọn đầu. Sự tăng s.đ.đ này không có lợi và trong nhiều trường hợp gây nguy hiểm cho cách điện của Hçnh 2-20 Tæì thäng vaì sââ trong täø mba ba pha näúi Y/Y máy biến áp. Vì vậy tổ máy biến áp ba pha không dùng phương pháp nối Y/Y. Mặc dù điện áp pha biến đổi nhiều nhưng điện áp dây vẫn hình sin vì khi nối Y s.đ.đ dây bậc ba bị triệt tiêu. Trong máy biến áp ba pha ba trụ hiện tượng có khác đi. Từ thông bậc ba của các pha do cùng pha nên không thể khép mạch qua lõi thép máy biến áp mà phải khép mạch qua vách thùng và dầu có từ trở lớn nên trị số tương đối nhỏ (hình 2- 21). Hçnh 2-21 Tæì thäng báûc ba trong loîi theïp mba näúi Y/Y Kết quả là từ thông có thể được coi là hình sin nghĩa là sđđ pha là hình sin. Tuy nhiên từ thông bậc ba có tần số 3f sẽ sinh ra dòng điện xoáy có tần số 3f trong
thùng máy biến áp, bu lông ghép và như vậy tổn hao công suất của máy biến áp sẽ tăng. Ngoài ra dòng điện bậc 3 sẽ gây nhiễu cho đường dây thông tin. b. Máy biến áp nối /Y Khi dây quấn sơ cấp nối dòng điện bậc ba có cùng chiều nên khép kín trong tam giác. Như vậy dòng điện không tải sẽ không sin và từ thông hình sin nghĩa là tránh được các hiện tượng bất lợi như khi nối Y/Y. c. Máy biến áp nối Y/ Ở đây tình trạng khác với khi nối /Y. Do dây quấn sơ cấp nối Y nên dòng điện không có thành phần bậc ba và đường cong từ thông có dạng bằng đầu. Thành phần từ thông bậc ba 3 cảm ứng trong các pha của dây quấn thứ cấp các s.đ.đ bậc ba e23. Do dây quấn thứ cấp nối tam giác kín mạch nên trong các pha có dòng điện bậc ba i23 chạy qua. Dòng điện này tạo ra từ thông chống lại nguyên nhân sinh ra nó do đó từ thông 3 trong máy giảm đi. Vậy nối Y/ cũng như nối /Y bảo đảm cho máy tránh được các hiện tượng bất lợi sinh bởi từ thông và s.đ.đ bậc ba. Sau này ta sẽ mở rộng kết luận này cho cả trường hợp máy biến áp làm việc với phụ tải. Trong một số trường hợp người ta muốn dùng cách nối Y/Y mà vẫn không muốn có các hiện tượng bất lợi thì người ta đặt thêm trong máy một cuộn dây thứ ba nối tam giác. Cuộn dây này sẽ triệt tiêu các hiện tượng bất lợi trong máy biến áp nối Y/Y. VÍ DỤ 2-2 Một MBA một pha có công suất 25kVA, điện áp 6300/240V, tần số 50Hz vận hành không tải ở điện áp sơ cấp định mức thì có tổn hao không tải 138W và hệ số công suất không tải 0,21 (chậm sau). Sử dụng mạch điện thay thế hình 2-18b để xác định (a) dòng điện không tải và các thành phần của nó; (b) điện kháng từ hoá và điện trở đặc trưng cho tổn hao sắt từ; (c) tính lại các đại lượng trên nếu máy biến áp làm nhiệm vụ tăng điện áp. Bài giải a. Dòng điện không tải và các thành phần của nó: P0 138 138 cos 0 0,21 Io 0,1043 A U1dm I0 6300 Io 6300 0,21 -1 o o = cos 0,21 = 77,88 Ife = Iocos o = 0,1043 . 0,21 = 0,0219 A -1 IM = Iosin o = 0,1043 . sin(cos 0,21) = 0,102 A b. Điện trở đặc trưng cho tổn hao sắt từ và điện kháng từ hoá: U1 6300 R fe 287.671,2  Ife 0,0219
U1 6300 XM 61764  IM 0,102 c. Tổn hao công suất và hệ số công suất không thay đổi khi máy biến áp làm nhiệm vụ tăng áp. Lúc này, thành phần dòng điện Ife là: P 138 Ife 0,575 A U1 240 Ife 0,575 I0 2,74 A cos 0 0,21 và thành phần dòng điện từ hóa: -1 IM = Ife. tag o = 2,74.tag(cos 0,21) = 2,68 A Điện kháng từ hóa: U1 240 XM 89,7  IM 2,68 Điện trở đặc trưng cho tổn hao sắt từ trong lõi thép Rfe: U1 240 R fe 317,4  Ife 0,575 2.7. MBA LÀM VIỆC VỚI TẢI Theo định luật Lenz, sức điện động cảm ứng trong cuộn dây thứ cấp sẽ có chiều chống lại sự biến thiên của từ thông sinh ra nó. Vì vậy khi tải được nối vào cuộn thứ cấp, chiều của dòng điện thứ cấp i2 sẽ tạo ra một sức từ động chống lại sức từ động sơ cấp. Điều này được thể hiện trên hình 2-22. Do vậy, từ thông M trong lõi thép sẽ giảm xuống: N1iM N2i2 M (2-27a)  K I = I + I M 1 0 1,tải I2 F2 U1 ES ET Zt F1 Hình 2-22 MBA làm việc với tải Mà từ thông M trong lõi thép giảm xuống làm cho sức phản điện động ES giảm xuống, theo công thức (2-23), thì dòng điện sơ cấp I1 sẽ tăng lên. Dòng điện
tải sơ cấp I1tải tăng lên, gọi là thành phần tải của dòng điện sơ cấp, sức từ động từ hoá của dòng điện tải N1I1,tải làm tăng thêm từ thông. Do vậy: N1iM N1i1,tai N2i2 M (2-27b)  Dòng điện sơ cấp tăng cho đến khi N1I1,tải = N2I2, lúc đó cả M và ES sẽ có giá trị đúng như trước khi đóng khoá K (không tải). Như vậy, thành phần tải của dòng điện sơ cấp I1tải chính là: I1,tải = (N2/N1)I2 = I2/a = I’2, (2-28) tức là dòng điện thứ cấp chia cho tỉ số biến áp a. Dòng điện I’2 trong (2-28) còn gọi là dòng điện trong dây quấn thứ cấp qui đổi về dây quấn sơ cấp. Sự khác nhau giữa ES lúc không tải và ES lúc có tải là do điện áp rơi trên điện trở dây quấn sơ cấp. Do dó dòng điện sơ cấp khi có tải là:       ' I1 Ife IM I1 ,tải Ife IM I2     ' I1 I0 I1 ,tải I0 I2 (2-29) Ngược lại, khi giảm tải, dòng điện I2 giảm do đó dòng điện I1t giảm và I1 sẽ giảm theo. Mở khoá K ở hình 2-22 làm giảm dòng điện I2, do đó stđ N2I2 giảm về không. Kết quả là từ thông hỗ cảm giảm và sức phản điện động cũng giảm, làm cho dòng điện sơ cấp trở về giá trị lúc không tải. Chú ý rằng, những vấn đề đã trình bày trên cho là độ từ thẩm không đổi và không có từ thông tản. Việc xét ảnh hưởng của từ thông tản ở phần sau. 2.8. MÁY BIẾN ÁP LÝ TƢỞNG, MÁY BIẾN ÁP THỰC 2.8.1. Máy biến áp lý tƣởng: Khi xét nguyên lý làm việc của máy biến áp, ta đã đề cập đến máy biến áp lý tưởng, là máy biến áp: - không có từ thông tản - không có tổn hao trong lõi thép - độ từ thẩm của lõi thép bằng - điện trở của các dây quấn bằng không Trên hình 2-23a là một máy biến áp lý tưởng có hai dây quấn, sơ cấp và thứ cấp.   M I I1 2 I2 + +    E 2  U1 E1 U2 Tải _ _ Hình 2-23. Máy biến áp lý tưởng
Với máy biến áp lý tưởng ta rút ra: N E U a 1 1 1 (2-30) N2 E2 U2 Trong đó E1 và E2 là s.đ.đ cảm ứng sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp lý tưởng Tổng trở vào của máy biến áp lý tưởng: U E Z' 1 1 Z  (2-31) V   v 1 I1 I1   Sđđ sơ cấp E1 và sđđ thứ cấp E 2 do cùng một từ thông tạo ra nên chúng cùng pha. Do vậy: E E  E 1 1 1 a (2-32)  E2 E2 E2 hay: E1 = aE2 = E’2 (2-33) Do không có tổn hao công suất trong máy nên công suất biểu kiến đầu vào bằng công suất biểu kiến đầu ra:  *  * E1I1 E2I2 (2-34) Như vậy: E 1 I* 2 I* I* (2-35a) 1  2 2 E1 a 1 hay: I I I' (2-35b) 1 a 2 2 Thay (2-33) và (2-35b) vào (2-31), ta có: aE E Z' 2 a 2 2 a 2Z (2-36) V   t I2 / a I2 Trong đó: E Z 2 Z  - tổng trở của tải t  t I2 1 Và I' I - dòng điện thứ cấp qui đổi về sơ cấp 2 a 2 VÍ DỤ 2-3 Một máy biến áp một pha hai dây quấn, dây quấn sơ có 200vòng, dây quấn thứ 20vòng. Sơ cấp nối vào lưới điện có điện áp 120V, f = 50Hz và thứ cấp nối vào tổng trở tải 10030 0 . Xác định : a. Điện áp thứ cấp b. Dòng điện sơ cấp và dòng điện tải. c. Tổng trở vào MBA. Chú ý: Ý định của ví dụ này nhằm làm sáng tỏ việc qui đổi các đại lượng trong MBA để thuận tiện cho việc nghiên cứu và tính toán.
Bài giải a. Điện áp thứ cấp Tỉ số biến áp (vòng). N 200 a 1 10 N2 20 Điện áp thứ cấp : E1 E1 120 a E2 12V E2 a 10 b. Dòng điện sơ cấp và dòng điện tải   o Dòng điện tải với giả thiết U2 E2 120 V , ta có: E 120o I 2 0,12 30 o A 2 o Zt 10030 Dòng điện sơ cấp (chính là dòng điện thứ cấp qui đổi về sơ cấp): I 0,12 30 o I I' 2 0,012 30 o A 1 2 a 10 c. Tổng trở vào MBA. ' 2 ZV a Zt ' 2 o 3 o ZV 10 10030 10 10 30  2.8.2. Máy biến áp thực: Tất cả từ thông trong MBA thực không ảnh hưởng đến hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp. Do mạch từ của máy biến áp thực có hệ số từ thẩm hữu hạn nên từ thông của máy biến áp thực có 3 thành phần: Từ thông hỗ cảm M, từ thông tản sơ cấp t1, từ thông tản thứ cấp t2. Điều đó được trình bày trên hình 2-24, ở đây để việc phân tích được đơn giản và theo trình tự, ta chỉ trình bày một vài đường sức từ tản. Theo MBA được trình bày trên hình 2-24, từ thông tản sinh ra do dòng điện sơ cấp chỉ móc vòng với dây quấn sơ cấp, từ thông tản sinh ra do dòng điện thứ cấp chỉ móc vòng với dây quấn thứ cấp và từ thông hỗ cảm sinh ra do thành phần từ hoá của dòng điện không tải chạy trong lõi thép và móc vòng với cả hai dây quấn. Như vậy tổng từ thông của cuộn sơ cấp S và thứ cấp T là: S = M + t1 (2-37) T = M t2 (2-38) M i2 i1 + + t1 Z  u2 t
Như vậy, theo (2-37) và (2-38), ta thấy rằng từ thông hỗ cảm nhỏ hơn từ thông tổng của cuộn dây sơ cấp do có từ thông tản và từ thông tổng của cuộn thứ cấp nhỏ hơn từ thông hỗ cảm. Kết quả là điện áp thứ cấp nhỏ hơn điện áp thứ cấp của máy biến áp khi không có từ thông tản. Điện áp rơi tạo bởi từ thông tản tỉ lệ với dòng điện tải. Dòng điện tải càng lớn, stđ của cuộn sơ cấp và thứ cấp càng lớn và từ thông tản của hai cuộn dây này càng lớn. Tuy từ thông tản làm giảm điện áp ra của máy biến áp nhưng nó cũng hạn chế dòng điện ngắn mạch của máy biến áp vì có điện áp rơi do từ thông tản tạo ra. 2.9. CÁC PHƢƠNG TRÌNH VÀ MẠCH ĐIỆN TƢƠNG ĐƢƠNG CỦA MÁY BIẾN ÁP 2.9.1. Điện kháng tản của máy biến áp Để tính toán điện áp rơi trong máy biến áp tại các phụ tải khác nhau ta cần tính đến ảnh hưởng của từ trường tản. Điện áp rơi do từ trường tản tạo ra sẽ được biểu diễn trên một điện kháng gọi là điện kháng tản. Khi nhân dòng điện với điện kháng tản ta có điện áp rơi tạo bởi từ trường tản. 2.9.2. Các phƣơng trình của máy biến áp S.đ.đ cảm ứng trong cuộn dây sơ cấp và thứ cấp do từ thông tổng là: ES 4,44fN1S ET 4,44fN 2T Trong đó: S = M + t1 T = M - t2 Biểu diễn theo các thành phần từ thông ta có: ES 4,44fN1M 4,44fN1t1 (2-39) ET 4,44fN 2M 4,44fN 2t2 (2-40) Viết gọn lại ta có:    ES E1 Et1 (2-41)    ET E2 Et2 (2-42) Trong đó:  ES - s.đ.đ cảm ứng trong cuộn sơ cấp  E1 - s.đ.đ cảm ứng trong cuộn sơ cấp bởi từ thông hỗ cảm  E t1- s.đ.đ cảm ứng trong cuộn sơ cấp bởi từ thông tản của cuộn sơ cấp
 ET - s.đ.đ cảm ứng trong cuộn thứ cấp  E 2 - s.đ.đ cảm ứng trong cuộn thứ cấp bởi từ thông hỗ cảm  E t2 - s.đ.đ cảm ứng trong cuộn thứ cấp tạo bởi từ thông tản Áp dụng định luật Kirchhoff 2 cho mạch sơ cấp (hình 2-25a), ta có:    U1 ES I1R1 (2-43) Thay (2-41) vào (2-43) ta có:     U1 E1 Et1 I1R1 (2-44) Trong đó:     I1 IM Ife I1.tai (2-45) Áp dụng định luật Kirchhoff 2 cho mạch thứ cấp (hình 2-25a), ta có:    ET U2 I2R 2 (2-46) Thay (2-42) vào (2-46) ta có:     E2 Et2 U2 I2R 2 (2-47)     U2 E2 Et2 I2R 2 (2-48) Trong đó: R1- điện trở của cuộn sơ cấp R2- điện trở của cuộn thứ cấp Sử dụng các phương trình (2-44), (2-45) và (2-47) ta có thể vẽ một máy biến áp thực gồm một mạch điện tương đương dùng máy biến áp lý tưởng có các dây quấn được nối nối tiếp với các thành phần bên ngoài để bao gồm tổn hao công suất, điện áp rơi và dòng điện kích thích của máy biến áp thực như hình 2-25b. Từ thông tản được thể hiện bằng điện kháng tản X1 và X2- Ta có:   N1I1  t1 (2-49) t1   N2I2  t2 (2-50) t2   I M I 1 2 I2 + +    ET  U1 R1 ES R1 U2 Tải _ _ (a) jX1  jX2 R2 R1 I1t  I2 I0 + + I I  fe M E 2 U U Z 1 R  2 t fe jXM E1 _ _ (b)
Khi từ thông biến thiên hình sin, spđđ cảm ứng trong cuộn dây là: e = 2 fN max cos 2 ft E max cos 2 ft (2-51) với: Emax = 2 fNmax Sử dụng phương trình (2-49,50) kết hợp với các phương trình (2-51) ta có: N I N2 E 2 fN 1 1max 2 f 1 I t1max 1 1max t1 t1 N I N2 E 2 fN 2 2max 2 f 2 I t2max 2 2max t2 t2 Giá trị hiệu dụng của các sđđ tản cảm ứng là: N2 N2 E 2 f 1 I ; E 2 f 2 I (2-52) t1 1 t2 2 t1 t2 Điện cảm của cuộn dây phụ thuộc số vòng dây và từ trở của mạch từ theo quan hệ: N2 L (2-53) R Thay (2-53) vào các phương trình (2-52) ta có sđđ tản của dây quấn sơ và thứ cấp: Et1 2 fL t1I1 Et2 2 fL t2I2 (2-54) Hay:     Et1 jX1I1; Et2 jX 2I2 (2-55) Trong đó: X1 2 fL t1- điện kháng tản của cuộn sơ cấp X2 2 fL t2 - điện kháng tản của cuộn thứ cấp Lt1 - hệ số tự cảm ứng với từ trường tản của cuộn sơ cấp Lt2 - hệ số tự cảm ứng với từ trường tản của cuộn thứ cấp Từ phương trình (2-46), (2-48) và kết hợp (2-55), ta có phương trình cân bằng điện áp ở dây quấn sơ cấp và thứ cấp MBA là:     U1 E1 jX1I1 I1R1 (2-56)     U2 E2 jX 2I2 I2R 2 (2-57) Hay:      U1 E1 I1(R1 jX1) E1 I1Z1 (2-58)      U2 E2 I2 (R 2 jX 2 ) E2 I2Z2 (2-59) Và điện áp trên phụ tải là:
  U2 I2Zt (2-60) Trong đó: Z1 R1 jX1 - tổng trở của cuộn dây sơ cấp Z2 R 2 jX 2 - tổng trở của cuộn dây thứ cấp 2.9.3. Mạch điện thay thế (tƣơng đƣơng) chính xác của MBA Từ các phương trình (2-56), (2-57), (2-58), (2-59) và hình 2-25, ta có mạch điện thay thế của máy biến áp như trình bày trên hình 2-26a. Mô hình mạch tương đương của máy biến áp thực như trên hình 2-26a rất có ích khi phân tích các ảnh hưởng của điện trở và điện kháng của các dây quấn sơ cấp và thứ cấp. Như vậy, mạch điện thay thế MBA thực giống mạch điện thay thế MBA lý tưởng (hình 2-7) khi nối thêm vào tổng trở của dây quấn sơ cấp, dây quấn thứ cấp và tổng trở nhánh từ hóa gọi chung là tổng trở ngoài. Điều đó rất thuận lợi cho việc qui đổi các đại lượng của MBA về dây quấn sơ cấp hoặc dây quấn thứ cấp, trong trường hợp đó MBA lý tưởng có thể dịch về phía bên phải hoặc bên trái của mạch điện thay thế như trình bày trên hình 2-26b và c. Trong đó, R’2 và X’2 là  R1 jX  jX2 R2 I 1  I2 1 I1t +  Io + Zv I I  fe M E E U 1 2 U Zt 1 2 Rfe jXM _ M _ MBA lý tưởng (a) ' R1 jX1 jX’2 R’   2 I2 I2 / a + + + + '  E aE U aU Z U1 1 2 2 2 t R jXM fe _ _ M _ _ (b) MBA lý tưởng 2 2 R /a jX1/a jX2 R2  1 I2 + + '  a + + I1 a.I1 U a a 1  '    U1 E2 E1 / a U2 Zt a 2 2 R /a jXM/a fe _ _ M _ _ MBA lý tưởng (c)
R1 jX1 jX’2 R’ '  I 2 I2 I2 / a 1 +  + Io +  Ife I '  M   U aU Z’ = a2Z U1 E1 aE2 2 2 t t Rfe jXM _ M _ _ (d) Hình 2-26 Mạch điện thay thế MBA điện trở và điện kháng tản của cuộn thứ cấp quy đổi về cuộn dây sơ cấp, còn R’1 và X’1 là điện trở và điện kháng tản của cuộn sơ cấp quy đổi về cuộn dây thứ cấp. Trên hình 2-26b, tổng trở tải có thể qui đổi về sơ cấp và bỏ qua MBA lý tưởng, mạch điện thay thế trình bày trên hình 2-26d. Khi mà tất cả các đại lượng qui đổi về một dây quấn sơ hoặc thứ cấp, MBA lý tưởng có thể loại bỏ khỏi sơ đồ và còn trong tưởng tượng. Mạch điện thay thế trên hình 2-26c, nhánh từ hóa có điện trở và điện kháng cũng được qui đổi về thứ cấp. Thường trong tính toán, ta sử dụng mạch điện thay thế được trình bày trên hình 2-26, gọi là mạch điện thay thế hình T của MBA. Sau đây là một vài sự biến đổi để đơn giản hóa của mạch điện thay thế MBA được sử dụng trong thực tế mà vẫn đáp ứng được bản chất vấn đề và độ chính xác mong muốn. Qui đổi dây quấn thứ cấp về dây quấn sơ cấp Với mục đích đơn giản hóa việc tính toán các bài toán kỹ thuật, máy biến áp thực được thay thế bằng tổng trở nối với nguồn điện áp và phụ tải. Tổng trở vào của máy biến áp lý tưởng theo (2-36) là: E Z' a 2 2 (2-61) V  I2 Áp dụng định luật Ohm cho mạch thứ cấp trên hình 2-26a, ta có:   E2 I2 (2-62) R 2 jX 2 Zt Do đó: E 2 R jX Z (2-63)  2 2 t I2 Thay (2-62) vào (2-60) ta có: ' 2 2 2 2 Zv = a (R2 + jX2 +Zt) = a R2 + ja X2 + a Zt (2-64) ' Zv = R’2 + jX’2 + Z’t (2-65)
2 Trong đó: R’2 = a R2 - điện trở cuộn thứ cấp quy đổi về cuộn dây sơ cấp 2 X’2 =a X2 - điện kháng tản của cuộn dây thứ cấp quy đổi về sơ cấp ' 2 Z1t = Z t = a Zt - tổng trở tải thứ cấp quy đổi về sơ cấp. Như vậy tổng trở vào của MBA thực là tổng trở phía thứ cấp và tải nối với nó nhân với a2. Tổng trở vào này được gọi là tổng trở quy đổi từ phía thứ cấp sang phía sơ cấp. Sau khi qui đổi dây quấn thứ cấp về dây quấn sơ cấp, ta có mạch điện thay thế của MBA thực được trình bày trên hình 2-26b. Trong đó, điện áp trên tải qui đổi về dây quấn sơ cấp là:  '  ' 2 ' U2 aU2 Z1tI2 a Zt I2 (2-66) Qui đổi dây quấn sơ cấp về dây quấn thứ cấp Do yêu cầu trong tính toán, ta cũng có thể qui đổi ngược lại từ dây quấn sơ cấp về dây quấn thứ cấp mà vẫn đảm bảo quá trình năng lượng, mạch điện thay thế của MBA được trình bày trên hình 2-26c. Ta có tổng trở dây quấn sơ cấp quy đổi về thứ cấp là: 2 2 2 Z’1 = (R1 + jX1)/a = R1/a + jX1/a (2-67) Z’1 = R’1 + jX’1 (2-68) Trong đó: 2 R’1 = R1/a - điện trở cuộn sơ cấp quy đổi về cuộn dây thứ cấp. 2 X’1 =X1/a - điện kháng tản của cuộn sơ cấp quy đổi về cuộn dây thứ cấp. Z’1 = R’1 + jX’1 - tổng trở dây quấn sơ cấp quy đổi về thứ cấp. Tổng trở nhánh dòng điện kích thích qui đổi về thứ cấp chia cho a2 như tổng trở dây quấn sơ cấp, còn dòng điện nhân với a. Điện áp và dòng điện phía sơ cấp qui đổi về dây quấn thứ cấp tương ứng là:  '  '  U1 U1 / a ; I1 a.I1; (2-69) VÍ DỤ 2-4 Máy biến áp phụ tải một pha hai dây quấn có Sđm = 75kVA, U1đm = 4800V, U2đm = 240V, f = 60Hz và các thông số như sau : R1 = 2,4880; R2 = 0,0060; Rfe = 44202 X1 = 4,8384; X2 = 0,0121; XM = 7798,6 Máy biến áp đang vận hành 50% tải định mức khi điện áp định mức và hệ số công suất của tải là 0,96 (tải R-L). Xác định : (theo mạch điện thay thế 2-26d) a. Tổng trở tải thứ cấp qui đổi về phía sơ cấp b. Dòng điện không tải và dòng điện sơ cấp. c. Điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp Bài giải a. Tổng trở tải thứ cấp qui đổi về phía sơ cấp
Tỉ số biến áp : U 4800 a 1 20 U2 240 Dòng điện thứ cấp MBA: Sâm / 2 75000 / 2 I2 156,25A U2âm 240 Gọi: là góc lệch pha của điện áp và dòng điện thứ cấp MBA. u là góc pha của điện áp. Ở đây giả thiết u = 0, như vậy:  o U2 U2u 2400 V i là góc pha của dòng điện Ta có : cos 1 0,96 16,26 o (tải R-L) o o u i 16,26 0 i i 16,26 Từ đó, ta suy ra số phức dòng điện thứ cấp :  o I2 I2i 156,25 16,26 A Tổng trở tải và tổng trở tải qui đổi về sơ cấp: U 2400o Z 2 1,53616,26 o  t  o I2 156,25 16,26 2 2 o o Z1t Z't a Zt 20 1,53616,26 614,4016,26  b. Dòng điện không tải và dòng điện sơ cấp Dòng điện tải phía sơ cấp hay dòng điện thứ cấp qui đổi về sơ cấp: I 156,25 16,26 o I' 2 7,81 16,26 o A 2 a 20 Điện áp thứ cấp qui đổi về sơ cấp:  '  o o U2 aU2 20.2400 4800 0 V Tổng trở dây quấn thứ cấp qui đổi về sơ cấp: Z R jX 0,006 0,0121 j 2 2 2 ' 2 2 Z2 a Z2 20 (0,006 0,0121 j) 2,4 4,84 j Sđđ sơ cấp :   '  ' ' ' E1 E2 U2 I2Z2 4800 0o 7,81 16,26 o (2,4 4,84 j) 4828,6 31,04 j 4828,670,3683 o V Dòng điện không tải :
  o o  E1 E1 4828,670,3686 4828,670,3686 Io R fe jX M 44202 7798,6j o 0,113 0,618 j 0,629 79,63 A Io 0,629A Dòng điện sơ cấp :   ' o o I1 I0 I2 0,629 79,63 7,81 16,26 7,61 2,805 j 8,11 20,23o A I1 8,11A c. Điện áp phía sơ cấp    U1 E1 Z1I1 4828,670,3686 o (2,488 4,8384 j) 8,11 20,233 o o 4861,09 60,88 j 4861,50,72 V U1 4861,5V 2.9.4. Mạch điện thay thế (tƣơng đƣơng) đơn giản của MBA a. Tổng trở ngắn mạch (tương đương): Z n1 2 R1 jX1 a jX 2 2 a R2 + + I I fe M Z 2 v Z’ = a Z jX t t Rfe M _ M _ Hình 2-27 Mạch điện thay thế MBA khi nhánh từ hóa nối trực tiếp nguồn Trên hình 2-27, tổng trở của mạch từ hóa được chuyển về bên trái máy biến áp lý tưởng (hình 2-26a), tức là nối trực tiếp nguồn cung cấp. Khi máy biến áp làm việc ở tải định mức hay gần định mức, thành phần dòng điện tải của cuộn dây sơ  cấp lớn hơn thành phần dòng điện kích thích nhiều ( II1t 0 ). Do vậy việc đưa nhánh từ hóa về nối trực tiếp với nguồn không ảnh hưởng đến độ chính xác tính toán đặc tính làm việc của máy biến áp. Rn1 jXn1 I / a 2 + + 2 Z1t = a Zt Zt   '   U1 U2 aU2 E1  E 2 _ _ (a) Zn2 2 2  I I / a R1/a jX1/a R2 jX2 I1 1t 2 +  Io +  I2
Từ hình 2-27, nếu bỏ qua nhánh dòng điện không tải, ta có tổng trở sơ cấp và thứ cấp qui đổi mắc nối tiếp nhau. Vậy tổng trở ngắn mạch của máy biến áp trên hình 2-28a với các thông số quy đổi về phía sơ cấp là: 2 2 Zn1 R1 a R 2 j(X1 a X2 ) R n1 jX n1 (2-70) 2 Trong đó: R n1 R1 a R 2 - điện trở ngắn mạch qui đổi về sơ cấp. 2 Xn1 X1 a X2 - điện kháng ngắn mạch qui đổi về sơ cấp. Tổng trở ngắn mạch của máy biến áp trên hình 2-28b với các thông số quy đổi về phía thứ cấp là: 2 2 Zn2 R 2 R1 / a j(X2 X1 / a ) R n2 jX n2 (2-71) VÍ DỤ 2-5 Máy biến áp phụ tải một pha hai dây quấn có Sđm = 75kVA, U1đm = 4800V, U2đm = 240V, f = 60Hz và các thông số như sau : R1 = 2,4880; R2 = 0,0060; Rfe = 44202 X1 = 4,8384; X2 = 0,0121; XM = 7798,6 Máy biến áp đang vận hành 50% tải định mức khi điện áp định mức và hệ số công suất của tải là 0,96 (tải R-L). Xác định : (tính theo mạch điện thay thế 2-27) a. Điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp. b. Dòng điện không tải và dòng điện sơ cấp. Bài giải a. Điện áp phía sơ cấp
Từ ví dụ 2-4, ta có kết quả: a = 20; ' o I2 7,81 16,26 A ;  ' o U2 4800 0 V Tổng trở ngắn mạch : ' 2 Zn1 Z1 Z2 Z1 a Z2 2 Zn1 2,488 4,8384 j 20 (0,006 0,0121 j) 4,888 9,678 j 10,8463,2o  Từ mạch điện thay thế hình 2-27, ta có điện áp phía sơ cấp:   ' ' U1 U2 Zn1I2 4800 0o (4,888 9,678 j) 7,81 16,26 o 4857 ,812 61,873 j 4858,20,73o V U1 4858,2V b. Dòng điện không tải và dòng điện sơ cấp Dòng điện không tải :   o o  U1 U1 4858,20,73 4858,20,73 Io R fe jX M 44202 7798,6j 0,118 0,622 j 0,633 79,26 o A Io 0,633A Dòng điện sơ cấp :   ' o o I1 I0 I2 0,629 79,6 7,81 16,26 7,615 2,808 j 8,117  20,24 o A I1 8,117 A Ta thấy dòng điện I1, Io và U1 trong hai ví dụ 2-4 và 2-5 ứng với hai mạch điện thay thế hình 2-26b và 2-27 không sai khác nhau mấy. b. Phía cao áp và phía hạ áp: Các máy biến áp điện lực thường làm nhiệm vụ tăng điện áp hay hạ điện áp. Do vậy trong nhiều trường hợp ta sẽ dùng dây quấn CA và dây quấn HA thay cho dây quấn sơ cấp và dây quấn thứ cấp. Trên hình 2-28a là mạch điện tương đương quy đổi về phía CA và trên hình 2- 28b là mạch điện tương đương quy đổi về phía HA của một máy biến áp làm nhiệm vụ hạ điện áp.  RnCA jXnCA ICA +    Io ICA IHA / a  I Ife M 2   Z = a Z E1 E ZtHA U1 tCA tHA 2 Rfe jXM
Nhánh kích thích, được vẽ bằng đường đứt nét, có thể bỏ qua khi tính toán chế độ làm việc định mức hay gần định mức. Với các tải này, thành phần tải của dòng điện CA lớn hơn nhiều thành phần dòng điện kích thích nên có thể bỏ qua dòng điện kích thích. Tuy nhiên khi tải nhỏ hơn 25% của tải định mức ta phải tính đến dòng điện kích thích này. Ta có: 1 ZtHA ZtCA (2-72) a 2 Chú ý là phía hạ áp có điện áp định mức nhỏ và dòng điện định mức lớn nên cuộn dây hạ áp có ít vòng dây và tiết diện dây dẫn lớn. Do vậy, tổng trở tương đương của máy biến áp quy đổi về phía hạ áp luôn luôn nhỏ hơn tổng trở tương đương quy đổi của phía cao áp: 1 Zn.HA Zn.CA (2-73) a 2  RnHA jXnHA IHA I   o IHA a.ICA  I Ife M 2   ZtHA = ZtCA/a E1 E 2 ZtHA R jX fe M M (a)    IHA a.ICA ICA RnCA jXnCA
Mô hình mạch 2-29a và 2-30a được dùng để xác định tổng trở vào của máy biến áp có tải. Mô hình mạch trên hình 2-29b và 2-30b được dùng để xác định điện áp không tải và độ thay đổi điện áp của máy biến áp. VÍ DỤ 2-6 Một máy biến áp một pha có dung lượng 75 kVA, 4800/240 V, tần số 50 Hz với các thông số: RHA = 0,006  RCA = 2,488  RfeCA = 44202  XHA = 0,0121  XCA = 4,8384  XMCA = 7798,6  Máy biến áp làm nhiệm vụ hạ điện áp cung cấp một nửa tải định mức có tính cảm với cos = 0,9 (chậm sau) ở điện áp định mức. a. Tính tổng trở tương đương của máy biến áp quy đổi về phía cao áp b. Tổng trở vào của máy biến áp c. Điện áp vào thực phía cao áp d. Tổng trở vào không tải e. Dòng điện kích thích. Bài giải a. Dòng điện phía hạ áp của máy biến áp: S 75000 0.5 IHA 156,25 A UHA 240 arccos0,96 = 16,26o Do tải có tính cảm nên khi chọn góc pha ban đầu của điện áp bằng 0 thì = -16,26o. Vậy dòng điện phía hạ áp là:  o IHA 156,25  16,26 A Tổng trở tải phía hạ áp là: U 240 Z 2 1,536  16,260  tHA  0 It 156,25 16,26
Tỉ số biến đổi điện áp: U 4800 a CA 20 UHA 240 Quy đổi theo hình 2-28a: 22 ZnCA R nCA jX nCA R CA aR HA j(X CA aX) HA 2,488 2022 0,006 j(4,8383 20 0,0121) 4,888 j9,678 10,84 63,20  b. Khi bỏ qua nhánh từ hóa, theo hình 2-29a ta có: 2 2 0 0 ZtCA a Z t 20 1,536  16,26 614,4  16,26  589,82 j172,03  Zv Z tCA Z nCA (589,82 j172,03) (4,888 j9,678) 594,71 j181,71 621,85  16,990  c. Điện áp vào phía cao áp: I 156,25 I HA 7,81 A CA a 20 U1 I CA Z v 7,81 621,85 4857 V d. Khi không tải nghĩa là Zt = nên theo hình 2-29a tổng trở vào sẽ là tổng trở tương đương của nhánh kích thích: 11 0 Zv 7680  79,99  1/Rfe 1/ jX M (1/ 44202) (1/ j7798,6) e. Dòng điện kích thích: U 4857  1 0 A I0 0 0,63  79,99 Zv 7680 79,99 VÍ DỤ 2-7 Điện trở và điện kháng tương đương phía cao áp của một máy biến áp 37,5 kVA, 2400/600 V, f = 50Hz là 2,8 và 6. Máy biến áp có tải 10200 được nối với phía hạ áp. a. Tính tổng trở vào của máy biến áp b. Tính dòng điện sơ cấp nếu máy biến áp nối với nguồn có điện áp 2400V c. Tính điện áp trên tải Bài giải a. Tỉ số biến đổi điện áp là: U 2400 a4 CA UHA 600 Vậy: 2 2 0 0 ZtCA a Z tHA 4 10  20 160  20 150 j54,723
0 Zv 2,8 j6 150 j54,723 152,8 j60,723 164,75  21,63  b. Dòng điện đi vào cuộn cao áp: U 2400  1 0  ICA 0 14,57  21,63 Zv 164,74 21,63 c. Theo hình 2-30a điện áp quy đổi trên tải: 2 o 2 o o ECA I CA a Z tHA 14,57  21,63 4 10  20 2330,8  1,63 V Điện áp rơi trên tải thực là điện áp thứ cấp của máy biến áp lý tưởng trên hình 2-24a. Do vậy: E 2330,8 1,63o E CA 582,7  1,63o V HA a4 2.10. XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CỦA MÁY BIẾN ÁP Các thông số của máy biến áp có thể xác định từ hai thí nghiệm cơ bản: thí nghiệm không tải và thí nghiệm ngắn mạch 2.10.1. Thí nghiệm không tải Mục đích của thí nghiệm không tải là xác định điện trở đặc trưng tổn hao sắt Rfe và điện kháng từ hóa XM; dòng điện không tải % và hệ số công suất không tải. Trên hình 2-31a, trình bày mạch điện thực; hình 2-31b, sơ đồ thí nghiệm không tải; hình 2-31c, mạch điện thay thế gần đúng; hình 2-31d, đồ thị véctơ MBA không tải. Để an toàn trong thí nghiệm và đo lường, thí nghiệm không tải được thực hiện phía hạ áp. Thí nghiệm không tải được thực hiện với điện áp và tần số định mức. Do không có tải phía cao áp nên sẽ không có tổn hao đồng trong dây quấn cao áp và tổn hao đồng trong dây quấn hạ áp có thể bỏ qua. Như vậy tổn hao không tải chính là tổn hao sắt trong lõi thép MBA. Mạch tương đương khi thí nghiệm không tải như hình 2-31c. Gọi Io, Uo và Po là dòng điện không tải, điện áp không tải và công suất không tải đo bởi các đồng hồ Ampermeter, Voltmeter và Wattmeter ta có: P0 2 2 Uo Uo Ife ; IM Io Ife ; R feHA ; XM.HA (2-74) Uo Ife IM Từ đồ thị véc tơ hình 2-31d ta thấy khi máy biến áp làm việc không tải, hệ số công suất của máy rất bé. Vì vậy không nên để máy biến áp làm việc không tải trong lưới điện vì nó sẽ làm xấu hệ số công suất của lưới. I 0 CA I0 P0 +  A W I0 U  o V U0 _ (b) (a)   Io Ife +  U  IM o 0  Ife U0 jXM
Ngoài ra, từ thí nghiệm không tải ta còn tính được: Hệ số công suất lúc không tải cos o: Po cos o (2-75) UoIo Dòng điện không tải phần trăm io% : Io io % 100 (2-76) IđmHA Và tổn hao không tải chính là tổn hao sắt trong lõi thép: 2 P0 = I fe Rfe = pfe (2-77) 2.10.2. Thí nghiệm ngắn mạch: Mục đích của thí nghiệm ngắn mạch là xác định điện trở và điện kháng tản tương đương của các dây quấn của máy biến áp. Sơ đồ nối dây thí nghiệm như trình bày trên hình 2-32a. Khi thí nghiệm, ta nối ngắn mạch phía hạ áp và cung cấp điện áp vào phía cao áp. Để tránh hư hỏng máy, ta phải hạ điện áp đưa vào máy biến áp sao cho dòng điện trong dây quấn cao áp bằng dòng định mức của máy, điện áp lúc đó gọi là điện áp ngắn mạch Un. Do hạ điện áp đưa vào máy biến áp nên từ thông trong máy rất bé và ta có thể bỏ qua tổn hao trong lõi thép. Trong thí nghiệm ngắn mạch, tổng trở tải sẽ là Zt 0. Mạch tương đương khi thí nghiệm ngắn mạch như trên hình 2-32b. Các chỉ số đồng hồ đo là In, Un và Pn. Từ số liệu thí nghiệm ngắn mạch ta tính được: U P Z n ; R n ; X Z2 R 2 (2-78) nCA nCA 2 nCA nCA nCA In In I P  RnCA jXnCA n n In A W Bộ + Un V Ung điều  Un chỉnh _ điện (a) (b) áp Hình 2-32 Thí nghiệm ngắn mạch MBA
Ngoài ra, từ thí nghiệm ngắn mạch ta còn tính được: Hệ số công suất lúc ngắn mạch cos n: Pn cos n (2-79) Un In Điện áp ngắn mạch phần trăm un% và các thành phần của nó: Un ZnCAIđmCA u n % 100 100 (2-80) UđmCA UđmCA UnR R nCAIđmCA u nR % 100 100 (2-81) UđmCA UđmCA UnX XnCAIđmCA u nX% 100 100 (2-82) UđmCA UđmCA Tổn hao ngắn mạch: từ mạch điện tương đương hình 2-32, ta có: 2 2 2 Pn = RnCAIn = R1I đm + R’2I đm (2-83) Như vậy, tổn hao ngắn mạch trong máy biến áp chính là tổn hao đồng trong dây quấn sơ cấp và thứ cấp khi phụ tải định mức. VÍ DỤ 2-8 Thí nghiệm không tải và ngắn mạch máy biến áp một pha 75kVA, 4600/230V, f = 50Hz cho kết quả như sau: Uo = 230 V Un = 160,8 V Io = 13,04 A In = 16,3 A Po = 521 W Pn = 1200 W Tính các thông số không tải và ngắn mạch Bài giải Từ thí nghiệm không tải ta có: Po 521 Ife 2,265 A Uo 230 2 2 2 2 IM I o I fe 13,04 2,265 12,842 A Uo 230 RfeHA 101,5 Ife 2,265 Uo 230 XM,HA 17,91 IM 12,842 Từ thí nghiệm ngắn mạch ta có:
Un 160,8 ZnCA 9,865 In 16,3 P 1200 n  RnCA 22 4,517 In 16,3 2 2 2 2 XMCA Z nCA R nCA 9,865 4,517 8,77  2.11. ĐỒ THỊ VECTƠ CỦA MÁY BIẾN ÁP Để thấy rõ mối quan hệ về trị số và góc lệch pha giữa các đại lượng vật lý trong MBA như từ thông , sđđ E , điện áp U , dòng điện I đồng thời để thấy rõ được sự thay đổi của các đại lượng vật lý ở các chế độ làm việc khác nhau của máy biến áp, ta vẽ đồ thị véctơ của MBA. Trên hình 2-33a là đồ thị vectơ của MBA trong trường hợp phụ tải có tính chất điện cảm, đươc vẽ như sau:  + Đặt vectơ từ thông M theo trục hoành.   + Vẽ vectơ dòng điện không tải I0 ,vượt trước  một góc .   ' o + Vẽ vectơ sđđ E1 E2 vượt trước một góc 90 . '  ' + Do tải có tính cảm nên dòng điện tải I2 chậm sau E2 một góc 2 quyết định bởi điện kháng và điện trở của phụ tải và của dây quấn thứ cấp: X' X'  arctg 2 t (2-84) 2 ' ' R 2 R t   jX1I1 U1   R1I1 E1 ' ' jX2I2 ' ' R 2I2 ' U 2   2 ' I1 I2 2 1 2 2 1 I 0  (a) (b) Hình 2-33 Đồ thị vector của máy biến áp a, Tải có tính cảm; b. Tải có tính dung
+ Vẽ các vectơ khác dựa vào các phương trình cân bằng và kiến thức về lý thuyết mạch điện, ta có đồ thị vectơ MBA khi phụ tải có tính  U1  điện cảm như hình 2-33a, và đồ thị vectơ MBA jX n1I1 khi phụ tải có tính điện dung được vẽ tương tự như trên hình 2-33b. Z I  n1 1 R n1I1  ' Đồ thị vectơ đơn giản MBA U 2 Trong mạch điện thay thế gần đúng trên  hình 2-27a, ta có dòng điện không tải Io 0 ,  ' nên I1 I2 và phương trình cân bằng điện áp o  ' là : 1-5 I1 I2   '  2 U1 U2 I1Zn1 (2-85) Ta vẽ được đồ thị vector tương ứng Hình 2-34 Đồ thị vectơ đơn giản MBA phương trình (2-85) khi phụ tải có tính điện (tải có tính điện cảm) cảm như trên hình 2-34.     CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Cấu tạo MBA gồm các bộ phận chính nào? 2. Tổ nối dây MBA là gì? Tại sao phải xác định tổ nối dây MBA? 3. Vẽ sơ đồ nối dây của MBA có tổ nối dây Y/Y- 2,4,8. 4. Vẽ sơ đồ nối dây của MBA có tổ nối dây Y/ - 1,3,7. 5. Mô tả cấu trúc các loại mạch từ và ưu nhược điểm của chúng 6. Tại sao lõi thép của máy biến áp được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện ghép lại? 7. Tại sao tổn hao trong lõi thép không thay đổi khi phụ tải thay đổi? 8. Tại sao dòng điện sơ cấp tăng khi có tải ở phía thứ cấp? Vì sao dòng điện sơ cấp chỉ tăng cho bằng dòng điện tải cộng với dòng điện dùng để bù với các tổn hao trong máy biến áp? 9. Từ thông tản là gì và nó ảnh hưởng thế nào đến điện áp ra? 10. Tại sao từ thông tản sơ cấp và thứ cấp ảnh hưởng đến điện áp thứ cấp? 11. Có thể thiết kế một máy biến áp không có từ thông tản không? Có cần thiết kế một máy biến áp như vậy không?
12. Các thông số nào được xác định khi thí nghiệm ngắn mạch? Vẽ mạch điện và chỉ các thông số đó. 13. Các thông số nào được xác định khi thí nghiệm không tải? Vẽ mạch điện và chỉ các thông số đó. 14. Khi thí nghiệm không tải phải chú ý điều gì? 15. Nêu ý nghĩa của đồ thị véctơ MBA. 16. Vẽ đồ thị véctơ của MBA khi tải thuần trở.     BÀI TẬP Bài số 2-1. Máy biến áp giảm áp một pha lý tưởng (không bị sụt áp, không tổn hao, dòng điện không tải bằng không) có S = 500kVA, 22000/220V, MBA được nối vào lưới điện có điện áp 22kV, f = 60Hz, từ thông cực đại trong lõi thép lúc này là 0,0682Wb. Xác định số vòng của dây quấn sơ cấp. Nếu điện áp tăng 20% và tần số giảm 5%, xác định từ thông mới trong lõi thép. Đáp số : 1210vòng 0,0862Wb. Bài số 2-2. Máy biến áp giảm áp một pha lý tưởng điện áp 2400 - 120V, máy được nối vào lưới điện có điện áp 2,4kV, từ thông hình sin trong lõi thép lúc này là  = 0,1125sin188,5t Wb. Xác định số vòng của dây quấn sơ cấp và thứ cấp. Đáp số : 160vòng 8vòng Bài số 2-3. Một máy biến áp một pha có công suất Sđm = 37,5kVA, U1đm = 2400V, U2đm = 480V, f = 60Hz, tiết diện ngang của lõi thép và chiều dài trung bình của mạch từ tương ứng là 95cm2 và 1,07m. Khi đặt vào dây quấn sơ cấp điện áp 2400V thì cường độ từ trường là 352At/m và từ cảm cực đại 1,505T. Xác định : a. Tỉ số biến áp. b. Số vòng dây của mỗi dây quấn. c. Dòng điện từ hoá để sinh ra từ thông trong lõi thép.
Đáp số : 5; 126vòng ; 630vòng; 3A. Bài số 2-4. Một máy biến áp một pha có công suất Sđm = 2000kVA, U1đm = 4800V, U2đm = 600V, f = 60Hz, và chiều dài trung bình của mạch từ là 3,15m. Khi nối dây quấn sơ cấp vào lưới điện có điện áp 4800V thì dòng điện từ hoá bằng 2,5% dòng định mức sơ cấp, cường độ từ trường là 370,5At/m và từ cảm cực đại 1,55T. Xác định : a. Dòng điện từ hoá để sinh ra từ thông trong lõi thép. b. Số vòng của mỗi dây quấn. c. Từ thông trong trong lõi thép d. Tiết diện ngang của lõi thép. Đáp số : 10,42A; 112vòng ; 14vòng; 0,161Wb; 1038cm2 Bài số 2-5. Xét MBA một pha lý tưởng (không bị sụt áp, không tổn hao, dòng điện không tải bằng không). Cuộn dây sơ cấp có 400 vòng, cuộn dây thứ cấp có 800 vòng. Tiết diện lõi thép là 40cm3. Nếu cuộn dây sơ cấp được đấu vào nguồn 600V, 60Hz, hãy tính : a. Từ cảm cực đại trong lõi ? b. Điện áp thứ cấp ? Đáp số : a. 1,4 T b. 1200V. Bài số 2-6. Cho một MBA một pha lý tưởng (không bị sụt áp, không tổn hao, dòng điện không tải bằng không) 20kVA,1200V/120V. a. Tính dòng định mức sơ cấp và thứ cấp ? b. Nếu máy cấp cho tải 12kW có hệ số công suất bằng 0,8; tính dòng sơ và thứ cấp ? Đáp số : a. 16,7A; 167A b. 12,5A; 125A. Bài số 2-7. Cho một MBA một pha lý tưởng (không bị sụt áp, không tổn hao, dòng điện không tải bằng không) có tỉ số vòng dây 4:1 Điện áp thứ cấp là 1200o o V. Người ta đấu một tải Zt = 1030  vào thứ cấp. Hãy tính : a. Điện áp sơ cấp. b. Dòng điện sơ cấp và thứ cấp ? c. Tổng trở tải qui về sơ cấp. Đáp số : a. 4800oV; b. 3-30oA, 12-30oA c. 16030o . Bài số 2-8. Cho MBA tăng áp một pha lý tưởng (không sụt áp, tổn hao, dòng điện không tải bằng không) 50kVA, 400V/2000V cung cấp cho tải 40kVA có hệ số công suất của tải 0,8 (tải R-L). Tính: a. Tổng trở tải ? b. Tổng trở tải qui về sơ cấp ? Đáp số : a. 10036,87o  b. 436,87o .