1 Lee Ein Lưu hành nội bộ! J Câu 1: Nêu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy biến áp. I. Cấu tạo: MBA có 2 bộ phận chính: Lõi thép và dây quấn. 1. Lõi thép: - Dùng để dẫn từ thông chính của máy, được chế tạo bằng lá thép kỹ thuật điện. Lõi thép gồm hai bộ phận: + Trụ là nơi để đặt dây quấn. + Gông là phần khép kín mạch từ giữa các trụ. - Trụ và gông tạo thành mạch từ khép kín. - Để giảm dòng điện xoáy trong lõi thép, người ta dùng lá thép kỹ thuật điện (dày 0,2 mm đến 0,5 mm, hai mặt có sơn cách điện) ghép lại với nhau thành lõi thép. 2. Dây quấn: - Thường được chế tạo bằng dây đồng (hoặc nhôm), có tiết diện tròn hoặc chữ nhật, bên ngoài dây dẫn có bọc cách điện. - Dây quấn gồm nhiều vòng dây và lồng vào trụ lõi thép. Giữa các vòng dây, giữa các dây quấn có cách điện với nhau và các dây quấn cách điện với lõi thép. MBA thường có hai hoặc nhiều dây quấn. Khi các dây quấn đặt trên cùng một trụ, thì dây quấn thấp áp thường đặt sát trụ thép, dây quấn cao áp đặt lồng ra ngoài. Làm như vậy sẽ giảm được vật liệu cách điện và khoảng cách cách điện với phần tiếp đất (lõi thép) nên giảm được kích thước MBA. - Để làm mát và tăng cường cách điện cho MBA, người ta thường đặt lõi thép và dây quấn trong một thùng chứa dầu MBA. Với MBA công suất lớn, vỏ thùng dầu có cánh tản nhiệt và trong nhiều trường hợp phải làm mát cưỡng bức bằng đặt quạt gió thổi vào các cánh tản nhiệt. Ngoài ra còn có các sứ xuyên để đưa các đầu dây quấn ra ngoài, bộ phận chuyển mạch để điều chỉnh điện áp; rơ le hơi để bảo vệ máy, bình dãn dầu, thiết bị chống ẩm. II. Nguyên lý làm việc: Khi ta nối dây quấn sơ cấp vào nguồn điện xoay chiều điện áp u 1 , sẽ có dòng điện sơ cấp i 1 chạy trong dây quấn sơ cấp. Dòng điện i 1 sinh ra từ thông biến thiên chạy trong lõi thép, từ thông này móc vòng (xuyên qua) đồng thời với cả hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp, được gọi là từ thông chính. - Theo định luật cảm ứng điện từ, sự biến thiên từ thông chính làm cảm ứng vào dây quấn sơ cấp suất điện động e 1 : 11 d eN dt F =- Và cảm ứng vào dây quấn thứ cấp suất điện động e 2 : 22 d eN dt F =- Trong đó N 1 , N 2 là số vòng dây của dây quấn sơ cấp và thứ cấp. i 1 i 2 Φ u 1 u 2 2 Lee Ein Lưu hành nội bộ! J - Khi MBA có tải, dây quấn thứ cấp nối với tải có tổng trở Z t , dưới tác động của suất điện động e 2 , có dòng điện thứ cấp i 2 cung cấp cho tải. Khi ấy, từ thông chính do đồng thời cả hai dòng sơ cấp i 1 và thứ cấp i 2 sinh ra. - Điện áp u 1 biến thiên hình sin nên từ thông cũng biến thiên hình sin, ta có: max sin t w F=F ; trong đó 2 f wp = . ( ) max 111max1 sin 4,442sin2sin 22 dt eNfNtEt dt w pp ww F æöæö =-=F-=- ç÷ç÷ èøèø ( ) max 222max2 sin 4,442sin2sin 22 dt eNfNtEt dt w pp ww F æöæö =-=F-=- ç÷ç÷ èøèø Giá trị hiệu dụng suất điện động sơ cấp, thứ cấp là: 11max 4,44EfN =F 22max 4,44EfN =F Ta thấy suất điện động thứ cấp (e 1 ) và sơ cấp (e 2 ) có cùng tần số, nhưng trị số hiệu dụng khác nhau. - Hệ số biến áp: 11 22 EN k EN == - Dây quấn sơ cấp và thứ cấp không trực tiếp liên hệ với nhau về điện nhưng nhờ có từ thông chính, năng lượng đã được chuyển từ dây quấn sơ cấp sang thứ cấp. - Nếu bỏ qua tổn hao công suất trong MBA, có thể coi gần đúng quan hệ giữa các đại lượng sơ cấp, thứ cấp như sau: 12 2211 21 UI UIUIk UI »Þ»» - Máy tăng áp: 1 k < và máy hạ áp: 1 k > 3 Lee Ein Lưu hành nội bộ! J Câu 2: Nêu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của MBA tự ngẫu, máy biến dòng điện, máy biến điện áp. 1. MBA tự ngẫu: - MBA tự ngẫu khác MBA hai dây quấn ở chỗ là dây quấn thứ cấp và dây quấn sơ cấp có một phần chung, nên ngoài sự liên hệ qua từ thông chính Φ, các dây quấn sơ cấp và thứ cấp còn liên hệ trực tiếp với nhau về điện. - MBA tự ngẫu có ưu điểm so với MBA hai dây quấn: khối lượng đồng và lõi thép nhỏ, tổn hao công suất nhỏ. Nhược điểm là hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp nối điện với nhau nên ít an toàn. 2. Máy biến dòng điện: - Dùng để biến đổi dòng điện lớn thành dòng điện nhỏ để đo lường. - Có số vòng dây sơ cấp ít, số vòng dây thứ cấp nhiều hơn. - Dây quấn sơ cấp được nối nối tiếp với dòng điện cần đo. Dây quấn thứ cấp được nối với ampe kế (hoặc cuộn dòng điện của Oát kế hay rơle bảo vệ). - Do tổng trở Z của các dụng cụ đo rất nhỏ, máy biến dòng điện làm việc ở chế độ ngắn mạch. - Khi sử dụng không được để dây quấn thứ cấp hở mạch, làm hỏng máy 3. Máy biến điện áp: - Dùng để biến đổi điện áp cao thành điện áp thấp để đo lường. - Có số vòng dây sơ cấp nhiều, số vòng dây thứ cấp ít hơn. - Dây quấn sơ cấp nối song song với điện áp cao cần đo. Dây quấn thứ cấp nối với vôn kế (hoặc với cuộn dây điện áp của Oát kế, cuộn dây của rơle bảo vệ). - Các cuộn dây điện áp của dụng cụ đo có tổng trở Z rất lớn nên máy biến điện áp luôn làm việc ở chế độ gần như không tải. - Khi sử dụng không được nối ngắn mạch cuộn dây thứ cấp, làm hỏng máy. U 2 U 1 I 2 I 1 Giảm áp U 2 U 1 I 2 I 1 Tăng áp V A a X x U 1 U 2 A ~ I 1 I 2 4 Lee Ein Lưu hành nội bộ! J Câu 3: Nêu cấu tạo và nguyên lý động cơ không đồng bộ. I. Cấu tạo: Cấu tạo động cơ điện không đồng bộ gồm hai bộ phận chủ yếu là stato và roto. 1. Stato: là phần tĩnh gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngoài ra có vỏ máy và nắp máy. - Lõi thép stato do các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh bên trong ghép lại với nhau tạo thành hình trụ rỗng phía trong có các rãnh theo hướng trục. Lõi thép được ép vào trong vỏ máy. - Dây quấn ba pha stato làm bằng dây dẫn bọc cách điện, được đặt trong các rãnh của lõi thép. Trục của dây quấn các pha lệch nhau một góc 120 0 điện. - Vỏ máy làm bằng nhôm hoặc gang, dùng để giữ chặt lõi thép và cố định máy trên bệ. Hai đầu vỏ máy có nắp, ổ đỡ trục. Vỏ máy và nắp máy còn dùng để bảo vệ máy. 2. Roto: là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy. - Lõi thép roto gồm các lá thép kĩ thuật điện được dập rãnh mặt ngoài ghép lại, tạo thành hình trụ mặt ngoài có các rãnh theo hướng trục, ở giữa có lỗ để lắp trục. - Dây quấn roto có hai kiểu: roto lồng sóc và roto dây quấn. + Roto lồng sóc trong các rãnh của lõi thép roto đặt các thanh dẫn, hai đầu nối với 2 vòng ngắn mạch tạo thành lồng sóc. + Roto dây quấn trong các rãnh lõi thép roto đặt dây quấn ba pha. Dây quấn roto thường nối sao, ba đầu ra nối với vòng tiếp xúc bằng đồng, cố định trên trục roto và được cách điện với trục. - Nhờ ba chổi than tỳ sát vào ba vòng tiếp xúc, dây quấn roto được nối với 3 biến trở bên ngoài, để mở máy hay điều chỉnh tốc độ. Loại động cơ này gọi là động cơ không đồng bộ dây quấn. - Động cơ lồng sóc là loại rất phổ biến do giá thành rẻ và làm việc đảm bảo. Động cơ roto dây quấn có ưu điểm về mở máy và điều chỉnh tốc độ song giá thành đắt và vận hành kém tin cậy hơn động cơ lồng sóc, nên chỉ được dùng khi động cơ lồng sóc không đáp ứng được các yêu cầu về truyền động. II. Nguyên lý: - Khi ta cho dòng điện ba pha tần số f vào ba dây quấn stato, sẽ tạo ra từ trường, quay với tốc độ là: 1 60 f n p = Trong đó: f là tần số dòng điện lưới, p là số đối cực từ. - Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn roto, cảm ứng các đường sức điện động. Vì dây quấn roto nối ngắn mạch, nên suất điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng trong các thanh dẫn roto. Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay với thanh dẫn mang dòng điện roto, kéo roto quay cùng chiều quay từ trường với tốc độ n. N n 1 n S F đt F đt 5 Lee Ein Lưu hành nội bộ! J - Tốc độ n của động cơ nhỏ hơn tốc độ từ trường quay n 1 , vì nếu tốc độ bằng nhau thì không có sự chuyển động tương đối, trong dây quấn roto không có suất điện động và dòng điện cảm ứng, lực điện từ bằng không. - Độ chênh lệch giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ máy gọi là tốc độ trượt n 2 : 21 nnn =- - Hệ số trượt của tốc độ là: 21 11 nnn s nn - == - Khi roto quay định mức, hệ số trượt: 0,020,06 s =+ - Khi roto đứng yên (n = 0), hệ số trượt: s = 1 - Tốc độ động cơ là: () () 1 60 11 f nnss p =-=- vòng/phút Câu 4: Xác định từ trường quay của dòng điện 3 pha. v Sự hình thành của từ trường quay: - Xét máy điện 3 pha đơn giản, trên stato có 6 rãnh. Trong đó người ta đặt dây quấn 3 pha đối xứng AX, BY, CZ. Trục của các dây quấn 3 pha lệch nhau trong không gian một góc 120 0 điện. - Giả thiết rằng, trong 3 dây quấn có hệ thống dòng điện 3 pha đối xứng thứ tự thuận chạy qua: ( ) () () 0 0 sin sin120 sin240 Am Bm Cm iIt iIt iIt w w w = =- =- - Lúc đó từ cảm B A , B B , B C do các dòng điện i A , i B , i C tạo ra riêng rẽ là các từ cảm đập mạch có phương lần lượt trùng với các trục các pha A, B, C có chiều cho bởi quy tắc vặn nút chai và độ lớn tỉ lệ lần lượt với i A , i B , i C . Từ cảm do cả 3 dòng điện tạo ra là: ABC BBBB =++ uruuruuruur - Ta xét B ur tại các thời điểm khác nhau: i A i B i C O ωt i ωt = 90 0 ωt = 90 0 + 120 0 ωt = 90 0 + 240 0 6 Lee Ein Lưu hành nội bộ! J + Xét thời điểm ωt = 90 0 : · Dòng điện pha A cực đại và dương (i A = I m ), nên A B uur cũng cực đại và hướng theo chiều dương của trục pha A (B A = B m ). · Đồng thời các dòng điện pha B và C âm ( 2 m BC I ii== ) nên B B uur và C B uur hướng theo chiều âm của trục pha B và C, có độ dài 2 m B . · Từ trường tổng B ur hướng theo chiều dương của trục pha A và có độ dài bằng 3 2 m B . + Xét thời điểm ωt = 90 0 + 120 0 : · Lúc này là thời điểm sau thời điểm đã xét ở trên 1/3 chu kì. · Dòng điện pha B cực đại và dương, các dòng điện pha A và C âm. · Từ trường tổng B ur hướng theo chiều dương của trục pha B và có độ dài bằng 3 2 m B và đã quay đi một góc 120 0 so với thời điểm ωt = 90 0 . + Xét thời điểm ωt = 90 0 + 240 0 : · Lúc này là thời điểm sau thời điểm đã xét ở trên 2/3 chu kì. · Dòng điện pha C cực đại và dương, các dòng điện pha A và B âm. · Từ trường tổng B ur hướng theo chiều dương của trục pha C và có độ dài bằng 3 2 m B và đã quay đi một góc 240 0 so với thời điểm ωt = 90 0 . - Qua phân tích trên ta thấy, từ trường tổng của hệ thống dòng điện hình sin 3 pha đối xứng chạy qua dây quấn 3 pha là từ trường quay tròn có biên độ bằng 3/2 từ trường cực đại của 1 pha. Từ trường quay móc vòng với cả 2 dây quấn stato và roto là từ trường chính của máy điện, nó tham gia vào quá trình biến đổi năng lượng. v Đặc điểm của từ trường quay: - Tốc độ từ trường quay: Tốc độ từ trường quay phụ thuộc vào tần số dòng điện stato f và số đối cực từ p. A X B C Y Z 60 0 A X B C Y Z 60 0 A X B C Y Z 60 0 7 Lee Ein Lưu hành nội bộ! J 1 f n p = (vòng/dây) và 1 60 f n p = (vòng/phút) - Chiều của từ trường quay: Chiều của từ trường quay phụ thuộc vào thứ tự pha của dòng điện. Muốn đổi chiều quay của từ trường ta thay đổi thứ tự hai trong ba pha cho nhau. + Giả sử đi dọc theo chu vi ta lần lượt gặp trục các pha A, B, C theo chiều kim đồng hồ. + Nếu thứ tự pha thuận, từ trường B ur sẽ lần lượt quét qua các trục pha A, B, C,… theo chiều kim đồng hồ. + Nếu thứ tự pha ngược, cực đại dòng các pha i A , i B , i C lần lượt xảy ra theo thứ tự A, C, B,… và từ trường B ur sẽ lần lượt quét qua các trục pha theo thứ tự A, C, B,… nghĩa là ngược chiều kim đồng hồ. Câu 5: Nêu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy phát điện đồng bộ 3 pha. v Cấu tạo: gồm 2 phần chính là stato và roto. - Stato của máy điện đồng bộ giống như stato của máy điện không đồng bộ, gồm 2 bộ phận chính là lõi thép và dây quấn 3 pha stato. Dây quấn stato gọi là dây quấn phần ứng. Dây quấn stato nối với lưới điện. - Roto máy điện đồng bộ có các cực từ và dây quấn kích thước từ dùng để tạo ra từ trường cho máy, đối với máy nhỏ roto là nam châm vĩnh cửu. Có 2 loại roto: roto cực ẩn và roto cực lồi. + Roto cực ẩn: dây quấn kích từ được đặt trong các rãnh, thường dùng ở máy có tốc độ cao 3000 vòng/phút, có một đôi cực. + Roto cực lồi: dây quấn kích từ quấn xung quanh thân cực từ, dùng ở các máy có tốc độ thấp, có nhiều đôi cực. + Hai đầu dây quấn kích từ đi luồn trong trục và nối với hai vòng trượt đặt ở hai đầu trục, thông qua hai chổi điện nối với nguồn kích từ để cung cấp dòng điện kích từ (I kt ) cho dây quấn kích từ. A B C U kt I kt Trục Vòng trượt Chổi than 8 Lee Ein Lưu hành nội bộ! J v Nguyên lý hoạt động: - Cho dòng điện kích từ (dòng điện không đổi) vào dây quấn kích từ sẽ tạo nên từ trường roto. Khi quay roto bằng động cơ sơ cấp, từ trường của roto sẽ cắt dây quấn phần ứng stato và suất điện cảm ứng động xoay chiều hình sin có trị số hiệu dụng là: 010 4,44 dq EfNk =F Trong đó: E 0 , N 1 , k dq , Φ 0 là suất điện động pha, số vòng dây 1 pha, hệ số dây quấn, từ thông cực từ roto. - Tần số f của suất điện động các pha: 60 pn f = với n là tốc độ quay roto (vòng/phút). - Dây quấn 3 pha stato có trục lệch nhau trong không gian một góc 120 0 điện, cho nên suất điện động các pha lệch nhau góc pha 120 0 . Khi dây quấn stato nối với tải, trong các dây quấn sẽ có dòng điện 3 pha, dòng điện 3 pha trong 3 dây quấn sẽ tạo nên từ trường quay, với tốc độ là 1 60 f n p = , đúng bằng tốc độ của roto, vì thế được gọi là máy phát điện đồng bộ. Câu 6: Phương pháp mở máy động cơ không đồng bộ 3 pha. Động cơ không đồng bộ 3 pha có moment mở máy. Để mở máy được, moment mở máy động cơ phải lớn hơn moment cản của lúc mở máy, đồng thời moment động cơ phải đủ lớn để thời gian mở máy trong phạm vi cho phép. Khi mở máy, hệ số trượt s = 1, theo sơ đồ thay thế gần đúng, dòng điện pha lúc mở máy: ( ) ( ) 1 22 1212 pha më U I RRXX = ¢¢ +++ Dòng điện mở máy lớn bằng 5 → 7 lần dòng điện định mức. 1. Mở máy động cơ roto dây quấn: - Khi mở máy, dây quấn roto được nối với biến trở mở máy. - Đầu tiên biến trở lớn nhất, sau đó giảm dần đến không. - Muốn moment mở máy cực đại, hệ số trượt tới hạn phải bằng 1: 2 12 1 më tíi h¹n RR s XX ¢¢ + == ¢ + . - Từ đó, xác định được biến trở R mở cần thiết. Khi có R mở dòng điện mở máy là: ( ) ( ) 1 22 1212 pha më më U I RRRXX = ¢¢¢ ++++ A B C Roto Stato U kt I kt I A I B I C 9 Lee Ein Lưu hành nội bộ! J - Nhờ có R mở dòng điện mở máy giảm xuống, moment mở máy tăng, đó là ưu điểm của động cơ roto dây quấn. 2. Mở máy động cơ lồng sóc: v Mở máy trực tiếp:Đây là phương pháp đơn giản nhất, chỉ việc đóng trực tiếp động cơ điện vào lưới điện. Nhược điểm của phương pháp này là dòng điện mở máy lớn, làm điện áp lưới điện giảm rất nhiều, nếu quán tính của máy lớn, thời gian mở máy sẽ rất lâu, hoặc có thể không mở máy được. Vì thế phương pháp này được dùng khi công suất mạng điện (hoặc nguồn điện) lớn hơn công suất động cơ rất nhiều, việc mở máy sẽ rất nhanh và đơn giản. v Giảm điện áp stato khi mở máy: Khi mở máy giảm điện áp đặt vào động cơ, moment mở máy giảm rất nhiều, vì thế nó chỉ sử dụng được đối với trường hợp không yêu cầu moment mở máy lớn. Có các biện pháp giảm điện áp như sau: - Dùng điện kháng nối tiếp mạch stato: Điện áp mạng điện đặt vào động cơ qua điện kháng ĐK. Lúc mở máy, cầu dao D 2 mở, cầu dao D 1 đóng. Nhờ có điện áp rơi trên điện kháng, điện áp đặt vào động cơ giảm đi k lần. Dòng điện mở máy sẽ giảm đi k lần, moment giảm đi k 2 lần. Khi động cơ đã quay ổn đinh thì đóng cầu dao D 2 . - Dùng MBA tự ngẫu: + Điện áp mạng điên đặt vào sơ cấp MBA tự ngẫu. Điện áp thứ cấp MBA tự ngẫu đưa vào động cơ. Thay đổi vị trí con chạy để lúc mở máy điện áo đặt vào động cơ nhỏ, sau đó tăng dần lên bằng định mức. + Gọi k là hệ số biến áp, điện áp đặt vào động cơ giảm k lần, dòng điện mở máy giảm k 2 lần, moment mở máy giảm đi k 2 lần. Phương pháp dùng MBA tự ngẫu được dùng nhiều đối với động cơ công suất lớn - Phương pháp đổi nối sao – tam giác: + Phương pháp này chỉ dùng được với những động cơ khi làm việc bình thường dây quấn stato nối hình tam giác. + Khi mở máy nối hình sao để điện áp đặt vào mỗi pha giảm 3 lần. Sau khi mở máy nối lại thành hình tam giác. + Mở máy kiểu đổi nối sao – tam giác, dòng điện mở máy giảm đi 3 lần, moment giảm đi 3 lần. Các phương pháp trên đều làm moment mở máy giảm xuống nhiều. Để khắc phục điều này, người ta chế tạo loại động cơ lồng sóc kép và loại rãnh sâu có đặc tính mở máy tốt. Hết . dẫn từ thông chính của máy, được chế tạo bằng lá thép kỹ thuật điện. Lõi thép gồm hai bộ phận: + Trụ là nơi để đặt dây quấn. + Gông là phần khép kín mạch từ giữa các trụ. - Trụ và gông tạo. vôn kế (hoặc với cuộn dây điện áp của Oát kế, cuộn dây của rơle bảo vệ). - Các cuộn dây điện áp của dụng cụ đo có tổng trở Z rất lớn nên máy biến điện áp luôn làm việc ở chế độ gần như không. n 1 , vì nếu tốc độ bằng nhau thì không có sự chuyển động tương đối, trong dây quấn roto không có suất điện động và dòng điện cảm ứng, lực điện từ bằng không. - Độ chênh lệch giữa tốc độ từ