Tài liệu Kỹ thuật điện

LỜI NÓI ĐẦU 
 Kỹ thuật điện là ngành kỹ thuật ứng dụng các hiện tượng điện từ để biến đổi năng 
lượng, đo lường, điều khiển, xử lý tín hiệu. Năng lượng điện ngày nay trở nên rất cần 
thiết và đóng vai trò vô cùng quan trọng trong đời sống và sản xuất của con người. 
 Bài giảng điện tử môn Kỹ thuật điện được biên soạn dành cho sinh viên các ngành 
kỹ thuật không chuyên về Điện thuộc trường Đại học Thủy Sản Nha Trang 
 Nội dung bài giảng gồm ba phần chính: 
 Phần I: Mạch điện và đo lường điện 
 Gồm 5 chương cung cấp các kiến thức cơ bản về mạch điện ( thông số, mô hình, 
các định luật cơ bản), các phương pháp tính toán mạch điện một pha và ba pha ở chế độ 
xác lập, đồng thời giới thiệu các cơ cấu đo lường điện và các đại lương không điện 
 Phần II: Máy điện 
 Trình bày nguyên lý, cấu tạo, các tính năng kỹ thuật và các ứng dụng của các loại 
máy điện cơ bản thường gặp 
 Phần III: Thí nghiệm Kỹ thuật điện 
 Gồm 5 bài thí nghiệm giúp sinh viên củng cố phần lý thuyết đã học và sử dụng 
thành thạo các thiết bị điện và dụng cụ đo trong thực tế. 
 Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Khai Thác – Hàng Hải, Bộ 
môn Điện – Điện tử hàng hải, và Trung tâm Công nghệ phần mềm thuộc Trường Đại Học 
Thủy Sản Nha Trang đã quan tâm và tạo mọi điều kiện cho tác giả hoàn thành bài giảng 
này. 
 KS. NGUYỄN TUẤN HÙNG 
 1
PHẤN I. MẠCH ĐIỆN VÀ ĐO LƯỜNG 
CHƯƠNG I. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ 
MẠCH ĐIỆN 
1.1. MẠCH ĐIỆN, KẾT CẤU HÌNH HỌC CỦA MẠCH ĐIỆN 
1.1.1. Mạch điện 
 Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện nối với nhau bằng các dây dẫn (phần tử 
dẫn) tạo thành những vòng kín trong đó dòng điện có thể chạy qua. Mạch điện thường 
gồm các loại phần tử sau: nguồn điện, phụ tải (tải), dây dẫn. 
ba §c ®mf 3 
2
c 
D©y dÉn
1 
Hình 1.1.a 
 a. Nguồn điện: Nguồn điện là thiết bị phát ra điện năng. Về nguyên lý, nguồn điện là 
thiết bị biến đổi các dạng năng lượng như cơ năng, hóa năng, nhiệt năng thành điện năng. 
Hình 1.1.b 
 b. Tải: Tải là các thiết bị tiêu thụ điện năng và biến đổi điện năng thành các dạng năng 
lượng khác như cơ năng, nhiệt năng, quang năng vv. (hình 1.1.c) 
 2
 Hình 1.1.c 
 c. Dây dẫn: Dây dẫn làm bằng kim loại (đồng, nhôm ) dùng để truyền tải điện 
năng từ nguồn đến tải. 
1.1.2. Kết cấu hình học của mạch điện 
 a. Nhánh: Nhánh là một đoạn mạch gồm các phần tử ghép nối tiếp nhau, trong đó 
có cùng một dòng điện chạy từ đầu này đến đầu kia. 
 b. Nút: Nút là điểm gặp nhau của từ ba nhánh trở lên. 
 c. Vòng: Vòng là lối đi khép kín qua các nhánh. 
 d. Mắt lưới : vòng mà bên trong không có vòng nào khác 
1.2. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG QUÁ TRÌNH NĂNG LƯỢNG 
TRONG MẠCH ĐIỆN 
 Để đặc trưng cho quá trình năng lượng cho một nhánh hoặc một phần tử của mạch 
điện ta dùng hai đại lượng: dòng điện i và điện áp u. 
 Công suất của nhánh: p = u.i 
 1.2.1. Dòng điện 
 Dòng điện i về trị số bằng tốc độ biến thiên của lượng điện tích q qua tiết diện 
ngang một vật dẫn: i = dq/dt 
B A 
i 
UAB
Hình 1.2.a 
 Chiều dòng điện quy ước là chiều chuyển động của điện tích dương trong điện 
trường. 
 1.2.2. Điện áp 
Hiệu điện thế (hiệu thế) giữa hai điểm gọi là điện áp. Điện áp giữa hai điểm 
 A và B: 
 uAB = uA - uB
Chiều điện áp quy ước là chiều từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp. 
 3
1.2.3. Chiều dương dòng điện và điện áp 
 i
 Hình 1.2.b 
- 
+ 
Ung
U
t
 Khi giải mạch điện, ta tùy ý vẽ chiều dòng điện và điện áp trong các nhánh gọi là 
chiều dương. Kết quả tính toán nếu có trị số dương, chiều dòng điện (điện áp) trong 
nhánh ấy trùng với chiều đã vẽ, ngược lại, nếu dòng điện (điện áp) có trị số âm, chiều của 
chúng ngược với chiều đã vẽ. 
1.2.4. Công suất 
 Trong mạch điện, một nhánh, một phần tử có thể nhận năng lượng hoặc phát năng 
lượng. 
p = u.i > 0 nhánh nhận năng lượng 
p = u.i < 0 nhánh phát nănglượng 
Đơn vị đo của công suất là W (Oát) hoặc KW 
1.3. MÔ HÌNH MẠCH ĐIỆN, CÁC THÔNG SỐ 
 Mạch điện thực bao gồm nhiều thiết bị điện có thực. Khi nghiên cứu tính toán trên 
mạch điện thực, ta phải thay thế mạch điện thực bằng mô hình mạch điện. 
 Mô hình mạch điện gồm các thông số sau: nguồn điện áp u (t) hoặc e(t), nguồn 
dòng điện J (t), điện trở R, điện cảm L, điện dung C, hỗ cảm M. 
1.3.1. Nguồn điện áp và nguồn dòng điện 
a. Nguồn điện áp 
 Nguồn điện áp đặc trưng cho khả năng tạo nên và duy trì một điện áp trên hai cực của 
nguồn. 
 u( t)u( t) 
e( t) 
 Hình 1.3.1.a Hình 1.3.1.b 
 Nguồn điện áp còn được biểu diễn bằng một sức điện động e(t) 
(hình1.3.1.b). 
Chiều e (t) từ điểm điện thế thấp đến điểm điện thế cao. Chiều điện áp theo quy ước từ 
điểm có điện thế cao đến điểm điện thế thấp: 
 u(t) = - e(t) 
 4
b. Nguồn dòng điện 
 Nguồn dòng điện J (t) đặc trưng cho khả năng của nguồn điện tạo nên và duy trì một 
dòng điện cung cấp cho mạch ngoài ( hình 1.3.1.c) 
J( t)
Hình 1.3.1.c 
1.3.2. Điện trở R 
 Điện trở R đặc trưng cho quá trình tiêu thụ điện năng và biến đổi điện năng sang 
dạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng, cơ năng vv. 
Quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên điện trở : uR =R.i (hình1.3.2.) 
Đơn vị của điện trở là Ω (ôm) 
Công suất điện trở tiêu thụ: p = Ri2 
Ri 
uR
Hình 1.3.2 
Điện dẫn G: G = 1/R. Đơn vị điện dẫn là Simen (S) 
Điện năng tiêu thụ trên điện trở trong khoảng thời gian t : 
Khi i = const ta có A = R i2.t 
1.3.3. Điện cảm L 
 Khi có dòng điện i chạy trong cuộn dây W vòng sẽ sinh ra từ thông móc vòng với 
cuộn dây ψ = Wφ (hình 1.3.3) 
Điện cảm của cuộc dây: L = ψ /i = Wφ./i 
Đơn vị điện cảm là Henry (H). 
Nếu dòng điện i biến thiên thì từ thông cũng biến thiên và theo định luật cảm ứng điện từ 
trong cuộn dây xuất hiện sức điện động tự cảm: 
eL = - dψ /dt = - L di/dt 
Quan hệ giữa dòng điện và điện áp: 
 uL = - eL = L di/dt 
 5
Hình 1.3.3 
Công suất tức thời trên cuộn dây: pL= uL .i = Li di/dt 
Năng lượng từ trường của cuộn dây: 
 Điện cảm L đặc trưng cho quá trình trao đổi và tích lũy năng lượng từ trường của 
cuộn dây. 
1.3.4. Điện dung C 
 Khi đặt điện áp uc hai đầu tụ điện (hình 1.3.4), sẽ có điện tích q tích lũy trên bản tụ 
điện.: q = C .uc
Nếu điện áp uC biến thiên sẽ có dòng điện dịch chuyển qua tụ điện: 
 i= dq/dt = C .duc /dt 
Ta có: 
uC 
C 
i
Hình 1.3.4 
Công suất tức thời của tụ điện: pc = uc .i =C .uc .duc /dt 
Năng lượng điện trường của tụ điện: 
 Điện dung C đặc trưng cho hiện tượng tích lũy năng lượng điện trường 
( phóng tích điện năng) trong tụ điện. 
 Đơn vị của điện dung là F (Fara) hoặc µF 
 6
1.3.5. Mô hình mạch điện 
 Mô hình mạch điện còn được gọi là sơ đồ thay thế mạch điện , trong đó kết cấu 
hình học và quá trình năng lượng giống như ở mạch điện thực, song các phần tử của mạch 
điện thực đã được mô hình bằng các thông số R, L, C, M, u, e,j. 
 Mô hình mạch điện được sử dụng rất thuận lợi trong việc nghiên cứu và tính toán 
mạch điện và thiết bị điện. 
1.4. PHÂN LOẠI VÀ CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA MẠCH ĐIỆN 
1.4.1. Phân loại theo loại dòng điện 
 a. Mạch điện một chiều: Dòngđiện một chiều là dòng điện có chiều không đổi 
theo thời gian. Mạch điện có dòng điện một chiều chạy qua gọi là mạch điện một chiều. 
 Dòng điện có trị số và chiều không thay đổi theo thời gian gọi là dòng điện không 
đổi (hình 1.4.a) 
 b. Mạch điện xoay chiều: Dòng điện xoay chiều là dòng điện có chiều biến đổi 
theo thời gian. Dòng điện xoay chiều được sử dụng nhiều nhất là dòng điện hình sin 
(hình 1.4.b). 
 i
i
t
O
I
t
 Hình 1.4.a Hình 1.4.b 
1.4.2. Phân loại theo tính chất các thông số R, L, C của mạch điện 
 a. Mạch điện tuyến tính: Tất cả các phần tử của mạch điện là phần tử tuyến tính, 
nghĩa là các thông số R, L, C là hằng số, không phụ thuộc vào dòng điện i và điện áp u 
trên chúng. 
 b. Mạch điện phi tính: Mạch điện có chứa phần tử phi tuyến gọi là mạch điện phi 
tuyến. Thông số R, L, C của phần tử phi tuyến thay đổi phụ thuộc vào dòng điện i và 
điện áp u trên chúng. 
 7
1.4.3. Phụ thuộc vào quá trình năng lượng trong mạch người ta phân ra 
chế độ xác lập và chế độ quá độ 
 a. Chế độ xác lập: Chế độ xác lập là quá trình, trong đó dưới tác động của các 
nguồn, dòng điện và điện áp trên các nhánh đạt trạng thái ổn định. Ở chế độ xác lập, dòng 
điện, điện áp trên các nhánh biến thiên theo một quy luật giống với quy luật biến thiên 
của nguồn điện 
 b. Chế độ quá độ: Chế độ quá độ là quá trình chuyển tiếp từ chế độ xác lập này 
sang chế độ xác lập khác. Ở chế độ quá độ, dòng điện và điện áp biến thiên theo các quy 
luật khác với quy luật biến thiên ở chế độ xác lập. 
1.4.4. Phân loại theo bài toán về mạch điện 
 Có hai loại bài toán về mạch điện: phân tích mạch và tổng hợp mạch. 
 Nội dung bài toán phân tích mạch là cho biết các thông số và kết cấu mạch điện, 
cần tính dòng, áp và công suất các nhánh. 
 Tổng hợp mạch là bài toán ngược lại, cần phải thành lập một mạch điện với các 
thông số và kết cấu thích hợp, để đạt các yêu cầu định trước về dòng, áp và năng lượng. 
1.5. HAI ĐỊNH LUẬT KIẾCHỐP 
 Định luật Kiếchốp 1 và 2 là hai định cơ bản để nghiên cứu và tính toán mạch điện. 
1.5.1. Định luật KIẾCHỐP 1 
 Tổng đại số các dòng điện tại một nút bằng không: ∑i=0 
trong đó thường quy ước các dòng điện có chiều đi tới nút mang dấu dương, và các dòng 
điện có chiều rời khỏi nút thì mang dấu âm hoặc ngược lại. 
Ví dụ : Tại nút A hình 1.5.1, định luật Kiếchốp 1 được viết: 
 i1 + i2 – i3 – i4 = 0 
i4 
i3 
i2 
i1 
Hình 1.5.1 
 8
 1.5.2. Định luật KIẾCHỐP 2 
 Đi theo một vòng khép kín, theo một chiều dương tùy ý, tổng đại số các điện áp 
rơi trên các phần tử R ,L, C bằng tổng đại số các sức điện động có trong vòng; trong đó 
những sức điện động và dòng điện có chiều trùng với chiều dương của vòng sẽ mang dấu 
dương, ngược lại mang dấu âm. 
 Ví dụ: Đối với vòng kín trong hình 1.5.2, định luật Kiếchốp 2: 
R
i4 
e4 
i3 R3 e3 
e2 
i2 
R2 
i1 R1
Hình 1.5.2 
R1 i1 + R2 i2 –R3 i3 +R4i4 = –e2 – e3 + e4
 9
CHƯƠNG II. DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN 
2.1. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CHO DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN 
Biểu thức của dòng điện, điện áp hình sin: 
 i = Imax sin (ωt + ϕi) 
 u = Umax sin (ωt + ϕu) 
trong đó i, u : trị số tức thời của dòng điện, điện áp. 
Imax, Umax : trị số cực đại (biên độ) của dòng điện, điện áp. 
ϕi, ϕu : pha ban đầu của dòng điện, điện áp. 
Góc lệch pha giữa các đại lượng là hiệu số pha đầu của chúng. Góc lệch pha giữa điện áp 
và dòng điện thường kí hiệu là ϕ: 
ϕ = ϕu - ϕi
ϕ > 0 điện áp vượt trước dòng điện 
ϕ < 0 điện áp chậm pha so với dòng điện 
ϕ = 0 điện áp trùng pha với dòng điện 
2.2. TRỊ SỐ HIỆU DỤNG CỦA DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN 
 Trị số hiệu dụng của dòng điện hình sin là dòng một chiều I sao cho khi chạy qua 
cùng một điện trở R thì sẽ tạo ra cùng công suất. 
 Dòng điện hình sin chạy qua điện trở R, lượng điện năng W tiêu thụ trong một chu 
kỳT: 
 Công suất trung bình trong một chu kỳ: 
 Với dòng điện một chiều ta có công suất P = I2R. 
 Tacó : 
 Ta có: 
 Trong thực tế, giá trị đọc trên các cơ cấu đo dòng điện I, đo điện áp U, đo công 
suất P của dòng điện hình sin là trị số hiệu dụng của chúng. 
 Các giá trị U, I, P ghi nhãn mác của dụng cụ và thiết bị điện là trị số hiệudụng. 
 10
2.3. BIỂU DIỄN DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN BẰNG VÉCTƠ 
 Các đại lượng hình sin được biểu diễn bằng véctơ có độ lớn (môđun) bằng trị số 
hiệu dụng và góc tạo với trục Ox bằng pha đầu của các đại lượng (hì 
 Véctơdòng điện biểu diễn cho dòng điện: 
 và véctơ điện áp biểu diễn cho điện áp: 
 Tổng hay hiệu của các hàm sin được biểu diễn bằng tổng hay hiệu các véc tơ 
tương ứng. 
Định luật Kiếchốp 1 dưới dạng véc tơ: 
Định luật Kiếchốp 2 dưới dạng véc tơ: 
 Dựa vào cách biểu diễn các đại lượng và 2 định luật Kiếchốp bằng véctơ, ta có 
thể giải mạch điện trên đồ thị bằng phương pháp đồ thị véctơ. 
2.4. BIỂU DIỄN DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN BẰNG SỐ PHỨC 
 Cách biểu diễn véc tơ gặp nhiều khó khăn khi giải mạch điện phức tạp. 
Khi giải mạch điện hình sin ở chế độ xác lập một công cụ rất hiệu quả là biểu diễn các đại 
lượng hình sin bằng số phức 
2.4.1. Kí hiệu của đại lượng phức 
 Số phức biểu diễn các đại lượng hình sin ký hiệu bằng các chữ in hoa, có dấu chấm 
ở trên. 
Số phức có 2 dạng: 
a. Dạng số mũ: 
b. Dạng đại số: 
 A= a + jb trong đó j2 = -1 
Biến đổi dạng số phức dạng mũ sang đại số: 
Biến đổi số phức dạng đại số sang số mũ: a+ jb = C.ej ϕ trongđó: 
 ϕ = arctg(b/a) 
2.4.2. Một số phép tính đối với số phức 
 a. Cộng, trừ: 
 11
 (a+jb)- (c+jd) = (a-c)+j(b-d) 
 b. Nhân, chia: 
 (a+jb).(c+jd) = ac + jbc + jad + j2bd= (ac-bd) + j(bc+ad) 
 c. Nhân số phức với ±j 
 ej 90 = 1.( cos90 + j sin90) = j; ej -90 = 1[cos (-90) + j sin (-90)] = - j 
 2.4.3. Tổng trở phức và tổng dẫn phức 
 Tổng trở phức kí hiệu là Z: 
 Z = R +jX 
 Mô đun của tổng trở phức kí hiệu là z: 
 Tổng dẫn phức:
 2.4.4. Định luật Ôm dạng phức: 
2.4.5. Định luật Kiếchốp dạng phức 
 a. Định luật Kiếchốp 1 dưới dạng phức: 
 b. Định luật Kiếchốp 2 dưới dạng phức: 
2.5. DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN TRONG NHÁNH THUẦN ĐIỆN TRỞ 
 Khi có dòng điện i = Imaxsinωt qua điện trở R , điện áp trên điện trở: 
 uR = R.i =URmax sinωt, trongđó: URmax = R.Imax
Ta có: UR =R.I hoặc I = UR/ R 
Biểu diễn véctơ dòng điện I và điện áp UR 
Dòng điện i = Imaxsinωt biểu diễn dưới dạng dòng điện phức: 
Điện áp uR = Umaxsinωt biểu diễn dưới dạng điện áp phức: 
Công suất tức thời của mạch điện: 
 pR(t) = uRi = UR .I(1 – cos2ωt) 
 Ta thấy pR(t) > 0 tại mọi thời điểm, điện trở R luôn tiêu thụ điện năng của nguồn và 
biến đổi sang dạng năng lượng khác như quang năng và nhiệt năng .v. 
Công suất tác dụng P là trị số trung bình của công suất tức thời pR trong một chu kỳ. 
 12
Ta có: P = URI = RI2 
Đơn vị của công suất tác dụng là W (oát) hoặc KW 
2.6. DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN TRONG NHÁNH THUẦN ĐIỆN CẢM 
Khi dòng điện i = Imaxsinωt qua điện cảm L (hình 2.6.a), điện áp trên điện cảm: 
uL(t) = L di/dt = ULmax sin(ωt + π/2 ) 
 trong đó: ULmax = XLImax 
 ⇒UL = XLI ⇒I = UL/ XL 
 XL = ω L gọi là cảm kháng. 
Biểu diễn véctơ dòng điện I và điện áp UL (hình 2.6.b) 
UL 
L 
a)
UL 
I
π/2
b)
i
ωtO
2π
π/2 
u,i,pL PL 
i
UL 
c)
Hình 2.6 
 13
Dòng điện i = Imaxsinωt biểu diễn dưới dạng dòng điện phức: 
Điện áp uL = ULmax sin(ωt + π/2 ) biểu diễn dưới dạng điện áp phức: 
 Công suất tức thời của điện cảm: pL(t) = uL. i = UL I sin2ωt 
Công suất tác dụng của nhánh thuần cảm: 
 Để biểu thị cường độ quá trình trao đổi năng lượng của điện cảm ta đưa ra khái 
niệm công suất phản kháng QL 
 QL = ULI = XLI2
Đơn vị công suất phản kháng là Var hoặc KVar 
2.7. DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN TRONG NHÁNH THUẦN ĐIỆN 
DUNG 
 Đặt vào hai đầu tụ điện một điện áp uC : uC = UCmax sin (ωt - π/2) 
thì điện tích q trên tụ điện: q = C uC = C. UCmax sin (ωt - π/2) 
 Ta có iC = dq/dt = ICmax sinωt 
 trong đó: ICmax = UCmax /XC → IC = UC/XC
 XC = 1/(Cω) gọi là dung kháng 
Đồ thị véctơ dòng điện I và điện áp UC
Biểu diễn điện áp uC = UCmax sin(ωt - π/2) dưới dạng điện áp phức: 
Biểu diễn dòng điện iC = ICmax sinωt dưới dạng phức: 
 ...  thấy mầu sắc ở nền đằng 
sau. 
Tinh thể lỏng tiêu thụ công suất rất nhỏ (0,1µΑ một thanh) còn điốt phát quang là 10mA. 
Các thiết bị kỹ thuật sử dụng mã cơ số 2. Để đọc thông tin đo thể hiện ra bên ngoài ta 
biến đổi mã cơ số 2 thành mã cơ số 10 
d
c
b22
20
21
R1 a
g
f
R5 
R4 
R2 
R3 
R6 
a
e
g
f
c
b
d
e
a
e
f
g
c
d
b
R7 
 +5V CC 
23
Hình 5.7.2 
Thiết bị làm nhiệm vụ này là bộ giải mã 
Người ta sử dụng 7 vạch từ a đến g bố trí như hình 5.7.2 . Nếu tất cả các vạch đều sáng ta 
nhận được số 8. 
Bộ giải mã 7 vạch được chế tạo dưới dạng vi mạch kiểu SN 74247 có các đầu ra hở cực 
góp. Dùng để điều khiển bộ chỉ thị LED có chung anốt +5V . Để đảm bảo dòng anốt 
mong muốn cần thêm 7 điện trở bên ngoài. 
Các bộ giải mã nhị thập phân 7 vạch được chế tạo kết hợp với khối hiển thị dưới dạng vi 
mạch . Trong vi mạch bố trí các bộ nhớ đệm lưu trữ các biến vào 
Bộ chỉ thị số gồm nhiều chữ số . Hoạt động của bộ chỉ thị là nối tiếp chứ không phải song 
song với việc sử dụng cách nối ma trận và chế độ dồn kênh có thể rút gọn đáng kể số dây 
nối. 
 43
 PHẦN II. MÁY ĐIỆN 
CHƯƠNG 6. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 
 6.1. ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI 
 6.1.1. Định nghĩa 
 Máy điện là thiết bị điện từ, nguyên lý làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện 
từ. Máy điện dùng để biến đổi dạng năng lượng như cơ năng thành điện năng (máy phát 
điện) hoặc ngược lại biến đổi điện năng thành cơ năng (động cơ điện), hoặc dùng để biến 
đổi thông số điện năng như biến đổi điện áp, dòng điện (máy biến áp, máy biến dòng), tần 
số (máy biến tần). 
 6.1.2. Phân loại 
Máy điện có nhiều loại và có nhiều cách phân loại khác nhau, ví dụ phân loại theo công 
suất, theo cấu tạo, theo chức năng, theo loại dòng điện, theo nguyên lý làm việc v.v 
Trong chương này phân loại dựa theo nguyên lý biến đổi năng lượng như sau: 
 a. Máy điện tĩnh 
Máy điện tĩnh là máy điện làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ do sự biến thiên 
từ thông giữa các cuộn dây không có sự chuyển động tương đối với nhau 
 b. Máy điện có phần quay 
Nguyên lý làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, lực điện từ, do từ trường và 
dòng điện của các cuộn dây có chuyển động tương đối với nhau 
6.2. CÁC ĐỊNH LUẬT ĐIỆN TỪ CƠ BẢN DÙNG TRONG MÁY 
ĐIỆN 
 Nguyên lý làm việc của máy điện thường dựa trên cơ sở hai định luật cảm ứng điện 
từ và định luật lực điện từ. Khi tính toán mạch từ người ta sử dụng định luật mạch từ. 
6.2.1. Định luật cảm ứng điện từ 
 a. Trường hợp từ thông φ biến thiên xuyên qua vòng dây 
Khi từ thông φ biến thiên xuyên qua vòng dây dẫn, trong vòng dây sẽ xuất hiện sức điện 
động cảm ứng ecư tính theo công thức: ecư = - dφ/dt 
Chiều sức điện động cảm ứng được xác định theo quy tắc vặn nút chai 
Cuộn dây có W vòng, sức điện động cảm ứng của cuộn dây: e = - W.dφ /dt 
 b. Trường hợp thanh dẫn chuyển động trong từ trường 
 44
I: cường độ dòng điện 
L: chiều dài thanh dẫn 
F: lực điện từ 
Chiều lực điện từ F xác định bằng quy tắc bàn tay trái 
6.2.3. Định luật mạch từ 
Mạch từ là mạch khép kín dùng để dẫn từ thông (trong máy điện mạch từ là lõi thép) 
Nếu H là cường độ từ trường do một tập hợp dòng điện i1,i2,......,in tạo ra và nếu C là 
đường cong kín trong không gian: 
Công thức tổng quát đối với mạch từ có n đoạn và m cuộn dây quấn trên mạch từ: 
trong đó dòng điện ij có chiều phù hợp với chiều φ đã chọn theo quy tắc vặn nút chai sẽ 
mang dấu dương, không phù hợp sẽ mang dấu âm 
Hk: cường độ từ trường trong đoạn mạch từ thứ k 
lk: chiều dài trung bình của đoạn mạch từ thứ k 
Wj: số vòng dây của cuộn dây thứ j 
Wj ij :được gọi là sức từ động của cuộn dây thứ j 
Hk lk: từ áp rơi của đoạn mạch từ thứ k 
Cho đoạn mạch từ (hình 6.2.3): 
Áp dụng định luật mạch từ: H1. L1 + H2 .L2 = W1. i1 – W2.i2
6.3. CÁC VẬT LIỆU CHẾ TẠO MÁY ĐIỆN 
 Vật liệu chế tạo máy điện gồm: 
 Vật liệu dẫn điện, vật liệu dẫn từ, vật liệu cách điện và vật liệu kết cấu. 
6.3.1. Vật liệu dẫn điện 
 Dây quấn máy điện thường bằng đồng hoặc nhôm, tiết diện tròn hoặc chữ nhật. 
Khi có yêu cầu đặc biệt, người ta dùng các hợp kim đồng, nhôm hoặc dùng thép 
6.3.2. Vật liệu dẫn từ 
 Vật liệu dẫn từ dùng để chế tạo các bộ phận của mạch từ, người ta dùng các vật liệu 
sắt từ để làm mạch từ: thép lá kỹ thuật điện, thép lá thường, thép đúc, thép rèn. 
Ở đoạn mạch từ có từ thông biến đổi với tần số 50hz thường dùng thép lá kỹ thuật điện 
dày 0.35 – 0.5 mm, trong thành phần thép có từ 2 –5 % Si . 
Ở đoạn mạch từ có từ trường không đổi, thường dùng thép đúc, thép rèn. 
6.3.3. Vật liệu cách điện 
 Vật liệu cách điện dùng cách ly các bộ phận dẫn điện và không dẫn điện, hoặc cách 
ly các bộ phận dẫn điện với nhau trong máy điện. 
Chất cách điện của máy điện gồm 4 nhóm: 
1. Chất hữu cơ thiên nhiên như giấy, vi lụa 
2. Chất vô cơ như amiăng, mica, sợi thuỷ tinh 
3. Các chất tổng hợp 
 45
4. Các loại men, sơn cách điện 
6.3.4. Vật liệu kết cấu 
Vật liệu kết cấu là vật liệu để chế tạo các chi tiết chịu các tác động cơ học như trục, ổ 
trục, vỏ máy, nắp máy. 
Các vật liệu kết cấu thường là gang, thép lá, thép rèn, kim loại màu và hợp kim của 
chúng, các chất dẻo. 
6.4. PHÁT NÓNG VÀ LÀM MÁT MÁY ĐIỆN 
 Các loại tổn hao trong máy điện: 
 - Tổn hao hao sắt từ trong lõi thép (do hiện tượng từ trể và dòng điện xoáy) 
 - Tổn hao đồng trong điện trở dây quấn 
 - Tổn hao do ma sát 
Tất cả tổn hao năng lượng đều biến thành nhiệt năng làm nóng máy điện. 
Để làm mát, máy điện phải có các biện pháp tản nhiệt ra môi trường xung quanh. 
Thường vỏ máy điện được chế tạo có các cánh tản nhiệt và có hệ thống quạt gió để mát 
máy hoặc hệ thống lưu chất làm mát máy điện như dầu trong máy biến áp .v.v. 
6.5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MÁY ĐIỆN 
Nghiên cứu máy điện gồm các bước sau: 
1. Nghiên cứu các hiện tượng vật lí xảy ra trong máy điện 
2. Dựa vào các định luật vật lý, viết hệ phương trình toán học diễn 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 mạch điện 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 yêu cầu cụ thể. 
 46
CHƯƠNG 7. MÁY BIẾN ÁP 
7.1. KHÁI NIỆM CHUNG CỦA MÁY BIẾN ÁP 
 Để biến đổi điện áp (dòng điện) của dòng xoay chiều từ giá trị cao đến giá trị thấp 
hoặc ngược lại ta dùng máy biến áp. 
7.1.1. Định nghĩa và các lượng định mức 
 a. Định nghĩa 
 Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh, làm việc theo nguyên tắc cảm ứng điện từ, dùng để 
biến đổi hệ thống điện xoay chiều (U1, I1,f) thành (U2, I2,f) 
Đầu vào của máy biến áp nối với nguồn điện gọi là sơ cấp. Đầu ra nối với tải gọi là thứ 
cấp . 
 b. Các lượng định mức 
 - Điện áp định mức 
 Điện áp sơ cấp định mức kí hiệu U1đm là điện áp đã quy định cho dây quấn sơ cấp. 
Điện áp thứ cấp định mức kí hiệu U2đm là điện áp giữa các cực của dây quấn thứ cấp, khi 
dây quấn thứ cấp hở mạch và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức . 
Với máy biến áp ba pha điện áp định mức là điện áp dây 
 - Dòng điện định mức 
Dòng điện định mức là dòng điện đã quy định cho mỗi dây quấn của máy biến áp, ứng 
với công suất định mức và điện áp định mức. 
Đối với máy biến áp ba pha, dòng điện định mức là dòng điện dây. 
Dòng điện sơ cấp định mức kí hiệu I1đm, dòng điện thứ cấp định mức kí hiệu I2đm 
 - Công suất định mức 
Công suất định mức của máy biến áp là công suất biểu kiến thứ cấp ở chế độ làm việc 
định mức. 
Công suất định mức kí hiệu là Sđm, đơn vị là KVA. 
7.1.2. Công dụng của máy biến áp 
 Công dụng của máy biến áp là truyền tải và phân phối điện năng trong 
hệ thống điện 
Muốn giảm tổn hao ∆P = I2.R trên đường dây truyền tải có hai phương án: 
Phương án 1: Giảm điện trở R của đường dây (R = ρ.l/S) 
Muốn giảm R ta tăng tiết diện dây dẫn S, tức là tăng khối lượng dây dẫn, các trụ đỡ cho 
đường dây, chi phí xây dựng đường dây tải điện rất lớn ( phương án này không kinh tế) 
Phương án 2: Giảm dòng điện I chạy trên đường dây truyền tải. 
Muốn giảm I ta phải tăng điện áp, ta cần dùng máy tăng áp vì đối với máy biến áp U1I1 = 
U2.I2 ( phương án này kinh tế và hiệu quả hơn) 
 Máy biến áp còn được dùng rộng rãi : 
Trong kỹ thuật hàn, thiết bị lò nung, trong kỹ thuật vô tuyến điện, trong lĩnh vực đo 
lường. trong các thiết bị tự động, làm nguồn cho thiết bị điện, điện tử , trong thiết bị sinh 
hoạt gia đình v.v. 
 47
7.2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP 
7.2.1 Cấu tạo máy biến áp 
Gồm hai bộ phận chính: lõi thép và dây quấn 
 a. Lõi thép máy biến áp 
Dùng để dẫn từ thông chính của máy, được chế tạo từ vật liệu dẫn từ tốt, thường là thép 
kỹ thuật điện mỏng ghép lại. 
Để giảm dòng điện xoáy trong lõi thép, người ta dùng lá thép kỹ thuật điện, hai mặt có 
sơn cách điện ghép lại với nhau thành lõi thép. 
b. Dây quấn máy biến áp 
 Được chế tạo bằng dây đồng hoặc nhôm có tiết diện tròn hoặc chữ nhật, bên ngoài dây 
dẫn có bọc cách điện. 
Máy biến áp có công suất nhỏ thì làm mát bằng không khí 
Máy có công suất lớn thì làm mát bằng dầu, vỏ thùng có cánh tản nhiệt 
7.2.2. Nguyên lý làm việc của máy biến áp 
 Khi ta nối dây quấn sơ cấp vào nguồn điện xoay chiều điện áp U1 sẽ có dòng điện sơ 
cấp I1 (hình 7.2.2) 
Dòng điện I1 sinh ra từ thông Φ biến thiên chạy trong lõi thép. Từ thông này móc vòng 
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: 
 e1 = - W1 dΦ/dt 
 e2 = - W2 dΦ/dt 
 W1, W2 là số vòng dây quấn sơ cấp và thứ cấp. 
Hình 7.2.2 
Khi máy biến áp có tải, dưới tác động của sức điện động e2, có dòng điện thứ cấp I2 cung 
cấp điện cho tải. 
Từ thông Φ biến thiên hình sin Φ = Φmax sinωt 
Ta có: 
e1 = - W1 dΦ/dt = 4,44 f W1Φmax sin(ωt- π/2) 
e2 = - W2 dΦ/dt = 4,44 f W2Φmax sin(ωt- π/2) 
 48
trong đó E1=4,44 f W1Φmax, E2 =4,44 f W2Φmax 
k = E1/ E2= W1/ W2 , k được gọi là hệ số biến áp. 
Bỏ qua điện trở dây quấn và từ thông tản ra ngoài không khí ta có: 
 U1/ U2 ≈ E1/ E2 = W1/ W2 = k 
Bỏ qua mọi tổn hao trong máy biến áp, ta có: 
U2 I2≈ U1 I1 ⇒ U1/U2 ≈ I2/I1 =W1/W2 = k 
7.3. CÁC PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ĐIỆN VÀ TỪ CỦA MÁY 
BIẾN ÁP 
 Theo quy tắc vặn nút chai, chiều φ phù hợp với chiều i1, e1 và i1 cùng chiều . 
Chiều i2 được chọn ngược với chiều e2 nghĩa là chiều i2 không phù hợp với chiều φ theo 
quy tắc vặn nút chai. 
Trong máy biến áp còn có từ thông tản φt1 , φt2 ( hình 7.3.a) 
Từ thông tản được đặc trưng bằng điện cảm tản . 
Điện cảm tản dây quấn sơ cấp L1 : L1 = φt1 /i1 
Điện cảm tản dây quấn thứ cấp L2 : L2= φt2 /i2 
φ 
u1
I2
Zt
φt1 φt2
e1
e2
u2
I1
Hình 7.3.a 
7.3.1. Phương trình cân bằng điện áp trên dây quấn sơ cấp 
Áp dụng định luật Kiếchốp 2 dạng phức cho mạch điện hình 7.3.b : 
trong đó X1 = L1 ω 
 49
R1 L1
u1
e
i1
Hình 7.3.b 
7.3.2. Phương trình cân bằng điện áp trên dây quấn thứ cấp 
Áp dụng định luật Kiếchốp 2 dạng phức cho mạch điện hình 7.3.c : 
i2
R2
e2 u2
Zt
L2
Hình 7.3.c 
Trong đó X2 = L2.ω 
7.3.3. Phương trình cân bằng từ 
 Điện áp lưới điện đặt vào máy biến áp U1≈ E1 = 4.44 fW1φmax không đổi, cho nên 
từ thông chính φmax sẽ không đổi. 
Phương trình cân bằng từ dưới dạng số phức: 
7.4. SƠ ĐỒ THAY THẾ MÁY BIẾN ÁP 
 Từ các phương trình cân bằng điện từ ta xây dựng mô hình mạch điện cho máy biến 
áp. Sơ đồ thay thế là sơ đồ điện phản ảnh đầy đủ quá trình năng lượng trong máy biến áp, 
ta có hệ phương trình: 
 50
  
Trong đó: 
Từ hệ phương trình trên ta xây dựng được sơ đồ thay thế cho máy biến áp 
(hình 7.4.a) 
Xth
Rth 
X1
2 
X'2 1 
R'2
Z’t
I1
I0
E1 = E’2
I’2
U’2U1
R1
Hình 7.4.a 
7.5. CHẾ ĐỘ KHÔNG TẢI CỦA MÁY BIẾN ÁP 
 Là chế độ mà phía thứ cấp hở mạch và phía sơ cấp được đặt vào điện áp. 
7.5.1. Đặc điểm chế độ không tải của máy biến áp 
 a. Dòng điện không tải I0 
 Ta có : I0 = U1/ z0 
 
Tổng trở z0 rất lớn vì thế I0 rất nhỏ: I0 =(3% -10% )I1đm
b. Công suất không tải P0 
 P0 = R0 I20=Rth I2th = Pst 
 51
c. Hệ số công suất cosϕ0
7.5.2. Thí nghiệm không tải của máy biến áp 
 Xác định hệ số biến áp k, tổn hao sắt từ Pst, Xth, Rth, cosϕ0, I0 
Sơ đồ thí nghiệm 
Vôn kế V1 chỉ U1đm; vôn kế V2 chỉ U2đm 
Ampe kế A chỉ dòng điện không tải I0 
Oát mét W chỉ công suất không tải P0 
a. Hệ số biến áp k : k = W1/W2 =U1đm/U2đm 
b. Dòng điện không tải phần trăm : I0 % = I0/I1đm .100% = (3% ÷ 01%) I1đm 
c. Điện trở không tải: R0=P0/I20 ≈Rth 
d. Tổng trở không tải: z0 = U1đm /I0 
 Điện kháng không tải: 
  
 Xth≈Xo 
e. Hệ số công suất không tải: cosϕ0 = P0/(U1đmI0 ) = 0.1 ÷0.3 
7.6. CHẾ ĐỘ NGẮN MẠCH CỦA MÁY BIẾN ÁP 
 Là chế độ mà phía thứ cấp bị nối tắt lại và phía sơ cấp vẫn đặt vào điện áp. Đây là 
tình trạng sự cố. 
7.6.1. Đặc điểm chế độ ngắn mạch của máy biến áp 
 Phương trình và sơ đồ thay thế của máy biến áp ngắn mạch. 
Sơ đồ thay thế 
Tổng trở z’2 rất nhỏ so với zth , nên có thể bỏ nhánh từ hoá . 
Dòng điện ngắn mạch In: 
In = U1đm/zn 
Rn: điện trở ngắn mạch máy biến áp 
Xn: điện kháng ngắn mạch máy biến áp. 
zn : tổng trở ngắn mạch máy biến áp 
Zn rất nhỏ cho nên In rất lớn: 
In = U1đm/zn ≈ (10 ÷ 25) I1đm ( tình trạng sự cố) 
7.6.2. Thí nghiệm ngắn mạch của máy biến áp 
 52
Xác định tổn hao trên điện trở dây quấn và các thông số R1, X1, R2, X2 
Sơ đồ thí nghiệm ngắn mạch 
Dây quấn sơ cấp nối với nguồn qua bộ điều chỉnh điện áp . 
Nhờ bộ điều chỉnh điện áp, ta có thể điều chỉnh điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp bằng Un 
sao cho dòng điện trong các dây quấn đạt giá trị định mức. 
Un % = Un /U1đm 100% = (3÷10 %) U1đm 
Công suất đo trong thí nghiệm ngắn mạch Pn là tổn hao trong điện trở 2 dây quấn. 
a. Tổng trở ngắn mạch: zn = Un /I1đm 
b. Điện trở ngắn mạch: Rn= Pn/I21đm 
c. Điện kháng ngắn mạch 
  
d. Thông số dây quấn 
R1 =R’2 = Rn /2 
X1 =X’2 =Xn/2 
Biết hệ số biến áp, tính được thông số thứ cấp chưa quy đổi. 
R2=R’2/k2 ; X2=X’2/k2 
7.7. CHẾ ĐỘ CÓ TẢI CỦA MÁY BIẾN ÁP 
 Chế độ có tải là chế độ trong đó dây quấn sơ cấp nối với nguồn điện áp định mức, 
dây quấn thứ cấp nối với tải. 
Hệ số tải : kt = I2/I2đm= I1/I1đm 
kt=1 tải định mức, kt1 quá tải. 
a. Độ biến thiên điện áp thứ cấp. 
 ∆U2% = (U2đm-U2)/ U2đm .100% 
b. Đặc tính ngoài của máy biến áp 
Quan hệ U2 = f(I2), khi U1 =U1đm và cosϕt = const. 
Điện áp thứ cấp U2 là: U2 = U2đm -∆U2 = U2đm (1 - ∆U2%/100) 
c. Tổn hao và hiệu suất máy biến áp 
 - Tổn hao trên điện trở dây quấn sơ cấp và thứ cấp gọi là tổn hao đồng 
∆Pđ =∆Pđ1+∆Pđ2 = I12R1 +I22R2 = kt2Pn 
trong đó Pn là công suất đo được trong thí nghiệm ngắn mạch . 
 - Tổn hao sắt từ ∆Pst trong lõi thép do dòng điện xoáy và từ trể gây ra.. Tổn hao sắt từ 
bằng công suất đo khi thí nghiệm không tải. ∆Pst = P0 
Hiệu suất máy biến áp η: 
η=P2/P1 = P2/(P2 + ∆Pst +∆Pđ) = ktSđm cosϕt /( ktSđm cosϕt +P0 +kt2Pn) 
 P2= S2 cos ϕt = ktSđm cosϕt 
Nếu cosϕt không đổi, hiệu suất cực đại khi η∂/∂kt = 0 ⇒ kt2Pn =P0 
Hệ số tải ứng với hiệu suất cực đại: 
Đối với máy biến áp công suất trung bình và lớn, hiệu suất cực đại khi hệ số tải 
 kt= 0.5 ÷0.7 
 53