Bài giảng Biến đổi năng lượng điện cơ

Biến đổi năng lượng

điện cơ

-Máy biến áp

Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

Giới thiệu

 Biến đổi năng lượng điện từ mạch điện này sang mạch điện khác

thông qua từ trường biến thiên.

 Ứng dụng: trong cả lĩnh vực điện và thông tin.

 Trong truyền tải, phân phối và ứng dụng năng lượng điện: tăng áp

hay giảm áp với tần số không đổi (50/60Hz), từ vài trăm W tới hàng

trăm MW.

 Trong thông tin, MBA có thể được dùng để phối hợp trở kháng, cách

ly DC, thay đổi mức điện áp tại công suất nhỏ với dải tần số rộng.

 Nội dung môn học chỉ đề cập đến máy biến áp (MBA) công suất.

Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

MBA lý tưởng



i₁

i₂

 Xét một lõi thép có quấn 2 cuộn dây như

+

v₂

v₁

N₁

N₂

hình vẽ. Bỏ qua các tổn hao, và từ thông tản.

–

 Độ thẩm từ là vô cùng hay từ trở bằng 0.

 

v₁t N₁

d

dt

d

dt



 

v₂t  N₂

v₁

t



 N₁

  a

N₂

v₂

t

a được gọi là tỉ số dây quấn.

mmf  N₁i₁ N₂i₂ R  0

 Tổng stđ mmf bằng

 

i₁t

N₂

   

N₁

1



i₂

t



a

Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

MBA lý tưởng (tt)

v₁N₁i₁N₂

i₁

i₂

Ideal

+

v₂

–

1

  a    

v₂N₂i₂N₁

v₁

–

a

N₁:N₂

Ideal

 

v₁t i₁t  v₂t i₂t  0

i₁

i₂

v₁N₁i₁N₂

  a  

v₂N₂i₂N₁a

1

+

v₂

–

v₁

–

 

v₁t i₁t  v₂t i₂t

N₁:N₂

 Với MBA lý tưởng

L₂

L₁

i₁

k  1  

i₂

v₂

   

v₁

1

L₁N₂² L₂N₁²



a

Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

Đặc tính thay đổi trở kháng của MBA lý tưởng

 Xét một MBA lý tưởng với tải trở mắc ở cuộn dây 2

Lý tưởng

v₂

i₂

i₁

i₂

 Theo định luật Ohm,

 R_L

+

R_L

v₁

–

v₂

–

 Thay

và

v₂ v₁a i₂ ai₁

 ²

N₁:N₂

v₁

i₁

N₂

2

 

 a R_L

R_L

 

N₁

 

 Mở rộng cho trường hợp tải tổng quát

 ²

V₁

I₁

N₂V₂

 

N₂

 

N₁

Z_L a²Z_L

 



N₁I₂

 

Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

Phối hợp trở kháng

 Tính chất thay đổi trở kháng có thể được dùng để tối ưu công suất

truyền đi giữa các cuộn dây, hay gọi là phối hợp trở kháng.

 Một MBA lý tưởng được đặt giữa một nguồn điện (trở kháng Z_o) và tải

(trở kháng Z_L). Tỉ số vòng dây được chọn sao cho

2

Z_o



N₁N₂



Z_L

 VD. 3.7: Hai MBA lý tưởng (mỗi MBA có tỉ số 2:1) và một điện trở R

được dùng để tối ưu công suất truyền đi, Tìm R.

Tải trở 4  kết hợp với R qui về phía đầu vào là (R + 4(2)²)(2)². Để tối

ưu công suất,

100  4 R 16







R  9 

Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

MBA công suất

 Hai cuộn dây được quấn trên một lõi

từ, để cực tiểu từ thông tản.

Cuộn sơ cấp có N₁vòng được nối với

nguồn điện, cuộn thứ cấp có N₂vòng nối

với tải.

 Trường hợp MBA lý tưởng: không có từ thông tản, bỏ qua điện trở

cuộn dây, lõi từ có độ thẩm từ bằng vô cùng, không có tổn hao.

 Cho v₁(t) = V_m1cost là điện áp đưa và cuộn sơ cấp, ta được

hay

V_m1 2fN₁_max

V₁ 4.44 fN₁_max

Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

Một số hình ảnh MBA

MBA loại nhỏ

3 pha loại nhỏ

Điều khiển

Đúc nhựa tổng hợp

110 kV, dầu

10 kV, MBA dầu

Biến đổi năng lượng điện cơ

500 kV, dầu

Bộ môn Thiết bị điện

Ví dụ

 VD. 3.8: Cho N₁, N₂, tiết diện lõi, chiều dài trung bình lõi, đường cong

B-H, và điện áp vào. Tìm mật độ từ thông cực đại, và dòng từ hóa cần

thiết.

trong đó

V₁ 230 V, f  60 Hz, N₁ 200

 4.3210^3webers

V₁ 4.44 fN₁_max

230

_max

Ta được,

4.44 60 200

4.3210^3

Suy ra,

B_m

 0.864 webers/m²

0.005

H  0.864300  259 At/m

Ta được

, giá trị đỉnh của dòng từ hóa

m

là (259)(0.5)/200 = 0.6475 A. Dó đó, I_rms= 0.46 A là dòng từ hóa ở phía

sơ cấp.

Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

Mạch điện tương đương của MBA có lõi tuyến tính

 Trường hợp MBA có xét từ thông tản và điện trở các cuộn dây. Thông

số phía thứ cấp được nhân với hệ số a (= N₁/N₂) và i₂được thay bởi i₂/a,

Mạch tương đương của MBA,

L₁– aM

a²L₂– aM

R₁

a²R₂

i₁

i₂

+

i₁

a²R_L

R_L

i₂/a

av₂

v₁

–

v₂

–

v₁

–

aM

–

N₁:N₂

 L₁– aM là chỉ điện cảm tản của cuộn dây 1, a²L₂– aM chỉ điện cảm tản của

cuộn 2 qui về phía cuộn 1.. aM là điện cảm từ hóa, dòng điện qua nó được gọi là

dòng từ hóa.

Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

Mạch điện tương đương của MBA có lõi tuyến tính (tt)

 Tổn hao trong lõi từ gây ra bởi hiện tượng từ trễ và dòng điện xóay.

Những tổn hao này rất khó để phân tích tính toán, chúng phụ thuộc vào

giá trị của B_m. Một điện trở đặt song song với điện cảm từ hóa aM để đại

diện cho tổn hao này.

L₁– aM

a²L₂– aM

R₁

a²R₂

i₁

i₂

Ideal

+

R_L

v₁

–

av₂

v₂

–

R_c1

(aM)₁

–

N₁:N₂

 Tải R_L, các điện áp và dòng tải có thể qui đổi về phía thứ cấp để được

dạng như MBA lý tưởng.

Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

MBA ở trạng thái xác lập

 Ở xác lập, trở kháng và vector pha có thể được dùng trong mạch

tương đương.

jx_l1

ja²x_l2

R₁

a²R₂

jX_m1

I₂

Ideal

+

I₁

I₂a

Z_L

R_c1

V

aV₂

V₂

1

–

N₁:N₂

Trong đó

Điện kháng tản của cuộn 1





L₁ aM



 x_l1

Điện kháng từ hóa qui đổi về cuộn 1

Điện kháng tản của cuộn 2



aM



 X _m1





 L₂ M a  x_l2





a²L₂ aM



 a²x 

Điện kháng tản của cuộn 2 qui đổi về phía 1

l2

Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

MBA ở trạng thái xác lập (tt)

 Tất cả các đại lượng có thể được qui đổi về phía cuộn 1

jx_l1

ja²x_l2

R₁

a²R₂

+

I₁

I₂a

a²Z_L

V

aV₂

R_c1

jX_m1

1

–

 Hoặc chúng có thể được qui đổi về phía cuộn 2

jx_l1/a²

jx_l2

R₁/a²

R₂

+

aI₁

I₂

jX_m1/a²

R_c1/a²

V₂

Z_L

V a

1

–

Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

Mạch điện tương đương

 Nhánh từ hóa làm việc tính toán trở nên khó khăn hơn, vì thế nhánh

này có thể được di chuyển về phía cuộn 1, ta được mạch tương đương

gần đúng.

jx_l1

ja²x_l2

R₁

a²R₂

I₂a

+

I₁

a²Z_L

aV₂

V

R_c1

1

jX_m1

–

jx_1eq

R_1eq

+

aV₂

+

R_1eq R₁ a²R₂

x_1eq x_l1 a²x_l2

Bộ môn Thiết bị điện

I₁

I₂a

a²Z_L

V

R_c1

1

jX_m1

–

Biến đổi năng lượng điện cơ

Thí nghiệm không tải và ngắn mạch của MBA

 Các thông số của mạch tương đương được xác định bằng 2 thí

nghiệm đơn giản: thí nghiệm không tải và thí nghiệm ngắn mạch.

 Với MBA công suất, các cuộn dây được gọi là cuộn cao áp HV và hạ

áp LV.

I_oc

W

A

V_oc

I_X

I_R

X_m

V

R_c

LV HV

Thí nghiệm không tải

Mạch tương đương không tải

Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

Thí nghiệm không tải

 Thiết bị đo đặt phía hạ áp, cuộn cao áp hở mạch. Điện áp định mức

được cấp cho cuộn hạ áp. Đo V_oc, I_oc, và P_oc.

V_o²_c

V_oc

I_R

R_c

I_oc I_R I _X

V_oc

R_c

P

oc

I_oc

I_X I_o²_c I_R²

Ta được,

I_X

I_R

V_oc

X_m

R_c

X_m

I_X

 R_cvà X_mlà các giá trị qui đổi về hạ áp.

Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

Thí nghiệm ngắn mạch

 Thiết bị đo đặt phía cao áp. Dòng định mức được cấp cho cuộn cao

áp. Đo V_sc, I_sc, và P_sc.

X_eq

R_eq

I_sc

W

A

V_sc

V

HV LV

P

V_sc

X_eq Z_e²_q R_e²_q

sc

I_s²_c

R_eq

Z_eq

I_sc

 R_eqvà X_eqđược qui đổi về phía cao áp.

Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

Ví dụ

 VD. 3.9: Cho các thông số của thí nghiệm không tải và ngắn mạch.

Tìm thông số mạch tương đương qui đổi về phía cao áp.

2

220

 

220

Từ thí nghiệm không tải

I_R

 0.227 A

R_c

 968 

X _m

968

 225.9 

50

220

2





I_X 1  0.227  0.974A

0.974

Từ thí nghiệm ngắn mạch

60

R_eq

 0.2076 

2

 

17

15

Z_eq  0.882 

17

X_eq 0.882² 0.2076² 0.8576 

Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

Hiệu suất và độ thay đổi điện áp

 Hiệu suất được định nghĩa là tỉ số giữa công suất ra với công suất vào

P

out

  

P P  losses

100% 

100%

P  P  P

in

out

c

i

Các tổn hao gồm tổn hao đồng Pc và tổn hao sắt Pi.

 Nếu biết công suất vào,

P  P  P

in

c

i

 

100%

P

in

 Độ thay đổi điện áp

V_{no load}V

% voltageregulation 

^load100%

V_load

Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

Bài tập

 Bài tập 3.22 và 3.23.

Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

Bài giảng Biến đổi năng lượng điện cơ - Bài: Máy biến áp