1CƠ SỞ Lí THUYẾT MÁY ĐIỆN

I. Giới thiệu chung về máy điện:
Cỏc mỏy thực hiện sự biến đổi cơ năng thành điện năng hoặc ngược lại được
gọi là mỏy điện.
Cỏc mỏy điện biến cơ năng thành điện năng gọi là mỏy phỏt điện và cỏc mỏ
y
điện dung để biến đổi từ điện năng thành cơ năng gọi là động cơ.Cỏc mỏy điện đều
cú tớnh thuận nghịch, nghĩa là cú thể biến đổI năng lượng theo hai chiều.
Mỏy điện là một hệ điện từ gồm cú mạch từ và mạch điện liờn quan với
nhau.Mạch từ bao gồm cỏ
c bộ phận dẫn từ và cỏc khe hở khụng khớ.Cỏc mạch
điện bao gồm hai hoặc nhiều dõy quấn cú thể chuyển động tương đối với nhau
cựng với cỏc bộ phận mang chỳng.
Sự biến đổi cơ điện trong mỏy điện dựa trờn nguyờn lý về cảm ứng điện từ.
Nguyờn lý này cũng đặ
t cơ sở cho sự làm việc của cỏc bộ biến đổi cảm ứng. dựng
để biến đổi điện năng với cỏc giỏ trị của thụng số này (điện ỏp, dũng điện). Mỏy
biến ỏp là một thiết bị biến đổi cảm ứng đơn giản thuộc loại này, dựng để biến đổi
d
ũng điện xoay chiều từ điện ỏp này sang dũng điện xoay chiều cú điện ỏp khỏc.
Cỏc dõy quấn và mạch từ của nú đứng yờn và quỏ trỡnh biến đổi từ trường để sinh
ra sức điện động cảm ứng trong cỏc dõy quấn được thực hiện bằng phương phỏp
điện.
Mỏy điện d
ựng làm mỏy biến đổi năng lượng là phần tử quan trọng nhất của bất
cứ thiết bị điện năng nào. Nú được sử dụng rộng rói trong cụng nghiệp, nụng

thành hệ thống U
1
, I
1
, f
1

* Mỏy điện cú phần động (quay hoặc chuyển động thẳng): Tuỳ theo lưới
điện cú thể phõn thành mỏy điện xoay chiều và mỏy điện một chiều. Nguyờn lý
làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, lực điện từ do từ trường và dũng
điện của cỏc quận dõy cú chuyển động tương đối so v
ới nhau gõy ra. Loại mỏy này
thường dựng để biến đổi năng lượng. Vớ dụ: biến đổi điện năng thành cơ năng
(động cơ điện) hoặc biến đổi cơ năng thành điện năng (mỏy phỏt điện). Quỏ trỡnh
biến đổi cú tớnh chất thuận nghịch, nghĩa là mỏy điện cú thể làm việc
ở chế độ
mỏy phỏt hoặc động cơ điện.
2 U
1
, I
1
, f
1
P

chiều
Mỏy điện cú phần
quay
Mỏy điện
đồng bộ
Mỏy
phỏt
khụng
đồng
bộ
Mỏy điện tĩnh
Động
cơ
khụng
đồng
bộ
Mỏy
phỏt
đồng
bộ
Mỏy
phỏt
một
chiều
Động
cơ
một
chiều
Động
cơ


Trong đú
ϕ
là gúc giữa vectơ từ cảm với vộc tơ dũng điện. Nếu từ trường đều và
dõy dẫn thẳng, ta cú:
ϕ
sinBlif =

4. Năng lượng trường điện từ:
Năng lượng tổng trong một thể tớch từ trường cú khụng đổi bằng:
∫
==
2
2
2
1
2
LidV
H
W
μ

Trong trường hợp này, chỉ từ thụng múc vũng bởi dũng điện và từ cảm của
cuộn dõy.
Nếu thiết bị điện từ cú hai hay nhiều mạch điện cú hỗ cảm điện từ thỡ năng lượng
điện từ của hai mạch điện hỗ cảm bằng:
∫
++==
2112
2
4
Trong đú là vec tơ từ thụng múc vũng vú cỏc thành phần bằng từ thụng do cỏc
dõy quấn sinh ra, k là một hệ số tỷ lệ.
5. Đơn vị tương đối:
Trong nghiờn cứu thiết kế và tớnh toỏn cỏc mỏy điện, để được tiện lợi người ta
thường dựng hệ đơn vị tương đối. Trong hệ đơn vị tương
đối cỏc đại lượng như
điện ỏp, dũng điện, cụng suất, tần số, tần độ gúc, mụmen…đều được biểu thị theo
cỏc lượng định mức tương ứng lấy làm cơ sở. Vớ dụ:
CS
I
I
I =
*
;
CS
U
U
U =
*
;
CS
P
P
P =
*
;
CS

đm
đm
P
ω
81.9
;
đm
đm
cs
cs
đmcs
I
U
I
U
zz ===III.Tớnh thuận nghịch trong mỏy điện:
Tớnh thuận nghịch trong mỏy điện:
Mỏy điện cú tớnh thuận nghịch nghĩa là cú thể làm việc ở chế độ mày phỏt điện
hoặc động cơ điện.
1. Chế độ mỏy phỏt điện:
Cho cơ năng của động cơ điện sơ
cấp, thanh dẫn sẽ chuyển động với vận tốc v
trong từ trường của nam chõm N-S, trong thanh dẫn sẽ cảm ứng một sức điện động
e.
- Nếu nối 2 cực của thanh dẫn điện trở R của tải thỡ dũng i chạy trong thanh dẫn sẽ
cung cấp điện cho tải.
- Nếu bỏ qua điện trở của thanh dẫn thỡ đ

dt
= Bil tỏc dụng
lờn thanh dẫn làm thanh dẫn chuyển động với tốc độ v
Cụng suất điện đưa vào động cơ:
P = u.i = e.i = B.i.l = F
dt
.v
Như vậy cụng suất điện P = u.i đưa vào động cơ đó biến thành cụng suất cơ P
cơ

= F
dt
.v trờn trục động cơ điện năng đó biến thành cơ năng.
Ta nhận thấy cựng một thiết bị điện từ tựy vào dạng năng lượng đưa và mà mỏy
điện cú thể làm việc ở chế độ mỏy phỏt điện hoặc đụng cơ điện. Đõy chớnh là tớnh
chất thuận nghịch của m
ọi loại mỏy điện.

IV. Sơ lược về cỏc vật liệu chế tạo mỏy điện:5
Cỏc vật liệu dựng để chế tạo cú thể chia làm 3 loại:
- Vật liệu tỏc dụng
- Vật liệu kết cấu
- Vật liệu cỏch điện
1. Vật liệu tỏc dụng:
Đõy là vật liệu dẫn từ và dẫn điện. cỏc vật liệu này thường dựng để tạo điều kiện
cần thiết sinh ra biến đổi điện từ.
a. Vật liệu dẫn từ:

Chữ chỉ thộp kỹ thuật điện
Chữ A chỉ tổn hao thấp
Chữ O chỉ thộp cỏn nguội
Chỉ số thứ nhất chỉ hàm lượng silic.
Chỉ số thứ hai chỉ tổn hao riờng của cỏc loại thộp.
Ở đoạn mạch từ cú từ thụng biến đổi với tần số 50Hz thường dựng lỏ thộp
kỹ thuật điện dõy 0.1- 0.2mm.
Ở đoạn mạch từ cú từ thụng trường khụng đổi thường dựng lỏ thộp đỳc, thộp
rốn hoặc thộp lỏ.
b. Vật liệu dẫn điện:
Vật liệu dẫn điện dựng để chế tạo cỏc bộ phận dẫn điện. Vật liệu dẫn điệ
n tốt
nhất dựng trong cỏc mỏy là đồng vỡ chỳng cú điện trở xuất rất nhỏ và khụng đắt
lắm. Đồng dựng làm dõy dẫn khụng được cú tạp chất quỏ 0,1%.Điện trở suất của
đồng ở 20
C°
là
ρ
=0,0172
mmm /.
2
Ω
.Ngoài ra cũn dựng nhụm và cỏc hợp kim khỏc
như đồng thau, đồng phospho.Nhụm cú điện trở suất ở 20
C°
là
ρ
=0,0282
mmm /.
2

t hữu cơ thiờn nhiờn: giấy, vải, lụa.
b. Chất vụ cơ: xi măng, mica, sợi thuỷ tinh.
c. Cỏc chất tổng hợp.
d. Cỏc loại men, sơn cỏch điện.
Chất cỏch điện tốt nhất là mica, song tuơng đối đắt nờn chỉ dựng trong cỏc mỏy
cú điện ỏp cao, do đú thường dựng cỏc vật liệu cú sợi như
giấy, vải, sợi.. Chỳng cú
độ bền cơ học tốt, mềm, rẻ tiền nhưng dẫn nhiệt kộm, hỳt ẩm, cỏch điện kộm. Do
đú, dõy dẫn cỏch điện sợi phải được sấy tẩm để cải thiện tớnh năng của vật liệu
cỏch điện.
Ngoài ra cũn cú chất cỏch điện ở th
ể khớ: khụng khớ, hydro, nito; hoặc thể lỏng:
dầu MBA.
+ Vật liệu khớ: khụng khớ là một chất cỏch điện tốt tuy nhiờn để cỏch điện tốt hơn
người ta thường dựng khớ trơ, hydro hoặc sử dụng trong trường hợp cần cỏch điện
và làm mỏt bờn trong vật liệu.
+ Vật liệu lỏng ( đầu m
ỏy biến ỏp) : đõy là loại vật liệu cỏch điện rất quan trọng
trong mỏy điện vỡ nú cú thể len lỏi vào cỏc khe rất nhỏ và cú thể sử dụng để dập
hồ quang. Căn cứ vào độ bề nhiệt, vật liệu cỏch điện chia ra làm nhiều loại sau:
7

H Vật liệu gốc mica, amiang
sợi thủy tinh phối hợp chất
kết dớnh và tẩm silic hữu cơ.
180 165 Ngoài ra cũn cú cỏc cấp Y và C với nhiệt độ làm việc cho phộp tương ứng là 90
C°
và >180
C°
.

V. Phỏt núng và làm mỏt mỏy điện:
Trong quỏ trỡnh làm việc cú tổn hao cụng suất. Tổn hao năng lượng trong mỏy
điện bao gồm: tổn hao sắt từ( do hiện tượng từ trễ và dũng xoỏy) trong thộp, tổn
hao đồng trong điện trở dõy quấn, tổn hao do ma sỏt( ở mỏy điện quay). Tất cả tổn
hao năng lượng đều biến thành nhiệ
t năng làm núng mỏy điện. Khi đú do tỏc động
của nhiệt độ, chấn động và cỏc tỏc động lớ húa khỏc, lớp cỏch điện sẽ bị lóo húa
nghĩa là mất dần cỏc tỡnh bền về điện, cơ.
Thực nghiệm cho thấy khi nhiệt độ tăng quỏ nhiệt độ cho phộp 8-10
0
C thỡ tuổi
thọ của vật liệu cỏch điện sẽ giảm đi một nửa.
Ở nhiệt độ làm việc cho phộp tốc độ tăng nhiệt của cỏc phần tử khụng vượt quỏ
độ tăng nhiệt cho phộp, tuổi thọ trung bỡnh của vật liệu khoảng 10-15 năm. Khi
mỏy làm việc quỏ tải, nhiệt độ sẽ v
ượt quỏ nhiệt độ cho phộp. Vỡ vậy, khi sử dụng
mỏy biến thế cần trỏnh để mỏy quỏ tải.
Để làm mỏt mỏy điện phải cú biện phỏp tản nhiệt ra ngũai mụi trường xung

ở đầu đường dõy lờn. Mặt
khỏc cỏc hộ tiờu thụ thường yờu cầu điện ỏp thấp từ 0,4-0,6 kV do đú tớI đõy phảI cú
thiết bị giảm ỏp xuống. Để biến đổI điện ỏp của dũng điện xoay chiều từ điện ỏp cao
xuống điện ỏp thấp hoặc ngược l
ạI ta sử dụng mỏy biến ỏp.
Thực tế trong hệ thống điện lực muốn truyền tải và phõn phối cụng suất từ nhà
mỏy điện đến tận cỏc hộ tiờu thụ một cỏch hợp lý thưeờng phảI qua 3, 4 lần tăng và
giảm điện ỏp như vậy.Do đú tổng cụng suất của cỏc m
ỏy biến ỏp trong hệ thống điện
thường gấp 3, 4 lần cụng suất của trạm phỏt điện.Những mỏy biến ỏp dựng trong hệ
thống điện lực gọI là mỏy biến ỏp điện lực hay là mỏy biến ỏp cụng suất.
Từ đú rừ mỏy biến ỏp chỉ làm nhiệm vụ truyền t
ải hoặc phõn phối năng lượng,
khụng thực hiện việc chuyển hoỏ năng lượng.
Ngày nay, do việc sử dụng điện năng phỏt triển rộng rói nờn cú nhiều loạI mỏy
biến ỏp khỏc nhau: mỏy biến ỏp 1 pha, mỏy biến ỏp 3 pha 2 dõy quấn, 3 dõy quấn,
cỏc mỏy biến ỏp dung trong chuyờn mụn như mỏy biến ỏp chuyờn dung cho cỏ
c lũ
luyện kim, mỏy biến ỏp dung cho đo lường, thớ nghiệm…nhưng chung dựa trờ cựng
một nguyờn lý đú là mguyờn lý cảm ứng điện từ.
Mỏy biến ỏp là một thiết bị điện từ tĩnh làm việc theo nguyờn tắc cảm ứng điện từ
dung để biến đổi điện ỏp của hệ th
ống dũng điện xoay chiều nhưng vẫn giữ nguyờn
tần số dũng điện.Hệ thống điện đầu vào của mỏy biến ỏp trước lỳc biến đổi ( sơ cấp )
cú điện ỏp U
1
,I
1
,f. Hệ thống điện đầu ra ( thứ cấp ) cú điện ỏp U
1

2
đưa ra tải với điệp ỏp là u
2
. Như vậy năng lượng của
dũng điện xoay chiều đó được truyền từ dõy quấn 1 sang dõy quấn 2.
Giải sử điện ỏp xoay chiều đặt vào là một hàm hỡnh sin, thỡ từ thụng do nú
sinh ra cựng là một hàm số hỡnh sin:
Ф = Ф
m
sin
t
ω
(1-1)

Do đú theo định luật cảm ứng điện từ, s.đ.đ cảm ứng trong cỏc dõy quấn 1 và 2
sẽ là:
)
2
sin(2cos
sin
11111
π
ωωω
ω
−=Φ−=
Φ
−=
Φ
−= tEtw
dt

(1-2b)
Trong đú:
m
mm
fw
ww
E Φ=
Φ
=
Φ
=
1
11
1
44.4
2
2
2
πω
(1-3a)
m
mm
fw
ww
E Φ=
Φ
=
Φ
=
2

E
1
; U
2
≈
E
2
,
do đú k được xem như tỷ số điện ỏp giữa dõy quấn 1 và dõy quấn 2:

10
2
1
2
1
U
U
E
E
k ≈=
(1-5)

III. Cỏc loại mỏy biến ỏp chớnh:
Theo cụng dụng, mỏy biến ỏp cú thể gồm những loại chớnh sau đõy:
- Mỏy biến ỏp điện lực : dựng để truyền tải và phõn phối cụng suất trong hệ
thống điện lực.
- Mỏy biến ỏp chuyờn dựng : dựng cho cỏc lũ luyện kim, cho cỏc thiết bị ch
ỉnh
lưu, mỏy biến ỏp hàn điện,…
- Mỏy biến ỏp tự ngẫu : biến đổi điện ỏp trong một phạm vi khụng lớn, dựng
11

2-Dõy quấn:
Dõy quấn là bộ phận dẫn điện của mỏy biến ỏp, làm nhiệm vụ thu năng lượng vào
và truyền năng lượng ra, gồm cú cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp thường được chế tạo
bằng dõy đồng (hoặc dõy nhụm) cú tiết diện trũn hoặc hỡnh chữ nhật bề ngoài cú bọc
cỏch điện bằng emay hoặc cotton.Cỏ
c mỏy biến ỏp cụng suất nhỏ dõy quấn thường
dựng dõy trũn cú tiết diện khụng quỏ 3mm. Đối với dõy chịu tải dũng điện lớn ở mỏy
biến ỏp cụng suất lớn dung dõy dẹp, tiết diện hỡnh vuụng hoặc hỡnh chữ nhật.
Dõy quấn gồm nhiều vũng dõy lồng vào trụ, lừi thộp giữa cỏc vũ
ng dõy và giữa
cỏc dõy quấn cú cỏch điện vớI nhau và cỏch điện với lừi thộp.Mỏy biến ỏp thường cú
2 hoặc nhiều dõy quấn.Theo cỏch sắp xếp dõy quấn cao ỏp và hạ ỏp ta cú 2 loại dõy
quấn chớnh là: đồng tõm và xen kẽ.
*Dõy quấn đồng tõm
: cú tiết diện ngang là những vũng trũn đồng tõm.Dõy quấn
hạ ỏp phớa trong gần trụ lừi thộp cũn dõy quấn tăng ỏp quấn phớa ngoài bọc lấy dõy
quấn hạ ỏp.Với cỏch quấn dõy này cú thể giảm bớt được điều kiện cỏch điện của dõy
quấn cao ỏp vỡ giữa dõy quấn cao ỏp và trụ đó cú cỏch đ
iện bản thõn của dõy quấn hạ
ỏp.Những kiểu dõy quấn đồng tõm chớnh bao gồm:
- Dõy quấn hỡnh trụ: Nếu tiết diện dõy nhỏ thỡ dựng dõy trũn quấn thành nhiều
lớp. Nếu tiết diện dõy lớn hơn thỡ dung dõy dẹt và thường quấn thành 2 lớp.Dõy quấn
hỡnh trụ, dõy trũn thưưũng lấy làm dõy quấn cao ỏp điện ỏp tới 35kV, dõy quấn hỡ
nh
trụ dõy bẹt chủ yếu làm dõy quấn hạ ỏp vớI điện ỏp từ 6kV trở xuống.Núi chung dõy
quấn hỡnh trụ thường dựng cho cỏc mỏy biến ỏp dung lượng 630kVA trở xuống.