Bài giảng Biến đổi năng lượng điện cơ - Hồ Phạm Huy Ánh (Phần 4)
BÀI GIẢNG
Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ
TS. Hồ Phạm Huy Ánh
March 2010
Lecture 4
1
Máy Biến Thế – Giới Thiệu Chung
¾ Dùng truyền tải năng lượng điện từ sơ qua thứ thông qua mạch từ
có thể biến thiên theo thời gian.
¾ Các ứng dụng: được dùng rộng rãi trong viễn thông và điện lực.
¾ Trong truyền tải, phân phối và khai thác năng lượng điện: để tăng
hoặc giảm áp xoay chiều ở tần số không đổi (50/60 Hz), với công suất
truyền từ vài trăm watts lên đến hàng trăm megawatts.
¾ Trong ngành viễn thông, biến thế được dùng để phối hợp trở kháng,
cách ly DC, và chuyển đổi điện áp ở cấp công suất từ vài watts trong
vùng tần số rất rộng.
¾ Giáo trình chỉ tập trung vào các biến thế công suất.
Lecture 4
2
Máy Biến Áp Lý Tưởng
¾ Xét mạch từ gồm 2 cuộn dây quấn như
Hình vẽ. Bỏ qua các tổn hao đồng và sắt,
bỏ qua điện dung kí sinh và từ rò .
φ
i1
i2
+
+
v1
N1
N2
v2
–
–
¾ Từ thẩm lõi thép vô cùng lớn (tương
đương với từ trỡ lỏi thép bằng zero.
v1
v2
t
)
)
N1
= = a
N2
dφ
dt
dφ
dt
⇒
v1
(
t
)
= N1
v2
(
t = N2
)
(
t
Ta gọi a là tỉ số dây quấn.
¾ Sức từ động tổng mmf được tính bởi
mmf = N1i1 + N2i2 = Rφ = 0
i1
(
t
)
)
N2
= − = −
N1
1
⇒
i2
(
t
a
Lecture 4
3
Máy Biến Áp Lý Tưởng (tt)
i1
i2
Ideal
v1 N1
= = a = − = −
v2 N2 i2 N1
i1
N2
1
+
+
v2
–
a
v1
–
v1
(
t
)
i1
(
t
)
+ v2
(
t
)
i2
t = 0
)
N1:N2
Ideal
i1
i2
v1 N1
= = a = =
v2 N2 i2 N1 a
i1 N2
1
+
+
v2
–
v1
–
v1 i1 i2
(
t
)
(
t
)
= v2
(
t
)
t
( )
N1:N2
¾ Ta suy ra với MBA Lý Tưởng
L2
L1
i1
k = 1 = −
i2
v2
= − = −
v1
1
L1N22 = L2 N12
⇒
a
Lecture 4
4
Thuộc tính trở kháng biến đổi của MBA Lý Tưởng
¾ Khảo sát MBA lý tưởng có tải trở mắc ở cuộn thứ
v2
i2
i1
i2
Ideal
= RL
¾ Định Luật Ohm cho,
+
+
RL
v1
–
v2
–
¾ Thay
và
v2 = v1 a i2 = ai1
⎛ ⎞2
N1:N2
v1
i1
N2
2
⎜ ⎟
= a RL =
RL
⎜ ⎟
N1
⎝ ⎠
¾ Kết quả trên dễ dàng được mở rộng với tổng trỡ phức
⎛ ⎞2
⎛ ⎞2
V1 N2 V2
N2
⎜ ⎟
ZL = a2 ZL
⎜ ⎟
=
⎜ ⎟
=
⎜ ⎟
I1
N1 I2
N1
⎝ ⎠
⎝ ⎠
Lecture 4
5
Tính tương hợp trở kháng
¾ Thuộc tính điện kháng biến đổi có thể được áp dụng để thực hiện phối
hợp trở kháng sơ-thứ của MBA, qua đó tối ưu hóa công suất truyền tải.
¾ MBA lý tưởng đặt giữa nguồn (có tổng trở Zo) và tải (có tổng trở ZL). Tỉ
lệ dây quấn vì thế nên được chọn sao cho
2
Zo ≈
N1 N2
)
ZL
¾ BT 3.7: Cho 2 MBA lý tưởng (đều có tỉ lệ 2:1) và trở R được dùng thêm
nhằm phối hợp trở kháng, qua đó giúp tối ưu công suất truyền tải. Xác định R.
Giải: Trở tải 4 Ω nối với R và qui về sơ cấp bằng (R + 4(2)2)(2)2. Nhằm tối đa
công suất truyền tải ta cần,
⇒
R =13.5Ω
10+ 4R = 64
Lecture 4
6
MBA Công Suất
¾ Hai cuộn dây quấn mắc trên mạch từ
sao cho từ rò được giảm thiểu nhỏ nhất.
¾ Cuộn sơ “Primary” gồm N1 vòng nối
với nguồn, cuộn thứ “Secondary” gồm N2
vòng nối với Tải.
¾ Khi khảo sát MBA lý tưởng: ta bỏ qua từ rò, điện trở dây quấn sơ &
thứ; đồng thời mạch từ xem như dẫn từ vô hạn và không có tổn hao.
¾ Cho v1(t) = Vm1cosωt là điện áp cung cấp cho dây quấn sơ cấp, ta có
quan hệ
hay
Vm1 = 2πfN1φmax
V1 = 4.44 fN1φmax
Lecture 4
7
Các hình ảnh minh họa các loại MBA một pha và ba pha
MBA CS bé
MBA 3 pha CS bé
MBA cách ly
MBA khô
110 kV, MBA dầu
10 kV, MBA dầu
500 kV, MBA dầu
Lecture 4
8
Bài Tập:
¾ BT 3.8: Cho N1, N2, tiết diện mặt cắt lỏi thép, chiều dài đường sức
trung bình, đường cong từ hóa B-H, và giá trị áp cung cấp. Hãy tìm mật
độ từ cực đại cũng như dòng từ hóa cần cung cấp.
với
V1 = 230 V, f = 60 Hz, N1 = 200
= 4.32×10−3 webers
V1 = 4.44 fN1φmax
230
φmax =
Vì thế,
4.44× 60× 200
4.32×10−3
Suy ra,
Bm =
= 0.864 webers/m2
0.005
H = 0.864×300 = 259 At/m
Như vậy ta có
, suy ra giá trị max của
m
dòng từ hóa bằng (259)(0.5)/200 = 0.6475 A. Tức, Irms = 0.46 A là dòng
từ hóa cần cung cấp phía sơ cấp.
Lecture 4
9
Mạch tương đương của MBA với lỏi thép chưa bảo hòa
¾ Khảo sát MBA thực có xét đến từ rò và điện trở dây quấn sơ & thứ. Mạch tương
đương suy từ MBA thực tế tỏ ra cồng kềnh và không tiện dụng. Ta cải tiến bằng
cách qui đổi thông số dây quấn thứ về sơ cấp thông qua tỉ số BA a (= N1/N2) .Từ
đó i2 được thay bởi i2/a, ta có được mạch tương đương chính xác qui về sơ cấp.
L1 – aM
a2L2 – aM
R1
a2R2
i1
i2
+
+
+
+
i1
a2RL
i2/a
av2
RL
v1
–
v2
–
v1
–
aM
–
N1:N2
¾ (L1 – aM) dùng thể hiện điện kháng rò của dây quấn sơ, a2L2 – aM dùng thể
hiện điện kháng rò của dây quấn thứ qui về sơ cấp. aM là điện kháng từ hóa và
dòng Im qua nó được gọi là dòng từ hóa lỏi thép..
Lecture 4
10
Mạch tương đương của MBA với lỏi thép chưa bảo hòa (tt.)
¾ Tổn hao trên lỏi thép MBA chủ yếu do tổn hao từ trễ và tổn hao do dòng xoáy.
Các tổn hao này rất khó xác định bằng công cụ giải tích. Ta gọi chung là tổn hao
từ hóa Bm. Thể hiện qua trở Rc1 trên mạch tương đương. Điện trở này được đấu
song song với thành phần điện kháng từ hóa aM.
L1 – aM
a2L2 – aM
+
R1
a2R2
i1
i2
Ideal
+
+
RL
v1
–
av2
v2
–
Rc1
(aM)1
–
N1:N2
¾ Giá trị thực của dòng và áp qua tải RL có thể dễ dàng phục hồi bằng
cách qui lại về phía thứ cấp.
Lecture 4
11
MBA vận hành xác lập
¾ Khi vận hành xác lập, các thành phần dòng, áp, tổng trở dây quấn sơ, thứ
cũng như tổng trở lỏi thép đều được thể hiện trên mạch tương đương.
jxl1
ja2xl2
R1
a2R2
I2 a
I2
Ideal
+
+
+
I1
ZL
Rc1
V
aV2
jXm1
V2
1
–
–
–
N1:N2
Trong đó
Điện kháng rò của dây quấn sơ
Điện kháng từ hóa qui về sơ cấp
Điện kháng rò của dây quấn thứ
ω
(
L1 − aM
aM
L2 − M a
)
= xl1 =
= X m1 =
= xl2 =
ω
(
)
ω
(
)
ω
(
a2 L2 − aM
)
= a2 x =
Điện kháng rò của dây quấn thứ qui về sơ cấp
l2
Lecture 4
12
MBA vận hành xác lập (tt.)
¾ Các thông số mạch được qui về phía cuộn sơ cấp
jxl1
ja2xl2
R1
a2R2
+
+
I1
I2 a
a2ZL
V
Rc1
aV2
jXm1
1
–
–
¾ Hoặc được qui về phía cuộn thứ cấp
jxl1/a2
R1/a2
jxl2
R2
+
+
aI1
I2
jXm1/a2
Rc1/a2
V2
ZL
V a
1
–
–
Lecture 4
13
Mạch tương đương gần đúng của MBA
¾ Thông số nhánh từ hóa ở mạch tương đương chính xác thường được
tính rất khó khăn, thực tế nhánh này thường được dời về phía đầu cuộn
sơ cho ta Mạch tương đương gần đúng, gây sai số rất bé có thể bỏ qua.
jxl1
ja2xl2
R1
a2R2
I2 a
+
+
I1
a2ZL
aV2
V
Rc1
1
jXm1
–
–
jx1eq
R1eq
+
aV2
+
R1eq = R1 + a2 R2
x1eq = xl1 + a2 xl2
I1
I2 a
a2ZL
V
Rc1
1
jXm1
–
–
Lecture 4
14
Thí Nghiệm Không Tải (TNKT) & Ngắn Mạch (TNNM) cho MBA
¾ Thông số mạch tương MBA có thể dễ dàng xác định nhờ hai thí
nghiệm đơn giản: Thí nghiệm không tải và Thí nghiệm ngắn mạch.
¾ Với MBA công suất, hai cuộn dây thường được gọi là cuộn sơ cấp
hay cuộn cao thế (HV) và cuộn thứ cấp hay cuộn hạ thế (LV).
Ioc
W
A
Voc
Voc
IX
IR
Xm
V
Rc
LV HV
TN Không Tải
Mạch tương đương
Lecture 4
15
Thí Nghiệm Hở Mạch hay TN Không Tải (TNKT)
¾ TNKT được tiến hành với hai đầu thứ cấp được hở mạch. Áp định
mức được cấp trong TNKT. Các số liệu Voc, Ioc, và Poc được thu thập khi
tiến hành TN.
Vo2c
Voc
IR =
Rc =
Ioc = IR + I X
Voc
Rc
P
oc
Ioc
IX = Io2c − IR2
Từ đó,
IX
IR
Voc
X m =
IX
Xm
Rc
¾ Rc và Xm thể hiện trên mạch tương đương được qui về sơ cấp (HV) MBA.
Lecture 4
16
Thí Nghiệm Ngắn Mạch (TNNM)
¾ Các đồng hồ đo đều được gắn phía sơ cấp. Dòng ngắn mạch bằng
dòng định mức được thử. Số liệu Vsc, Isc, và Psc được thu thập.
Xeq
Req
Isc
W
A
Vsc
Vsc
V
HV LV
P
Vsc
sc
Is2c
Xeq = Ze2q − Re2q
Req =
Zeq =
Isc
¾ Req và Xeq thể hiện trên mạch tương đương qui về sơ cấp (HV) MBA.
Lecture 4
17
Ví Dụ:
¾ BT 3.9: Dùng số đo TNKT và TNNM. Hãy xác định thông số mạch
tương đương MBA qui về sơ cấp.
Các kết quả suy ra được từ số liệu Thí Nghiệm Không Tải (TNKT)
2
220
220
)
IR =
= 0.227 A
Rc =
= 968 Ω
968
50
220
2
IX = 12 −
(
0.227
)
= 0.974 A
X m =
= 225.9 Ω
0.974
Các kết quả suy ra được từ số liệu Thí Nghiệm Ngắn Mạch (TNNM)
60
Req =
= 0.2076 Ω
2
( )
17
15
Zeq = = 0.882 Ω
17
Xeq = 0.8822 − 0.20762 = 0.8576Ω
Lecture 4
18
Tính Hiệu Suất và Xác Định Phần Trăm Biến Thiên Điện Áp
¾ Hiệu suất MBA được tính bằng tỉ số công suất ra chia cho công suất vào.
P
P
P
out
out
out
η = =
P P + losses
×100% =
×100%
P + P + P
in
out
out
c
i
Tổn hao bao gồm tổn hao đồng Pc và tổn hao thép Pi.
¾ Từ đó, hiệu suất MBA còn có thể biểu diễn như sau,
P − P − P
in
c
i
η =
×100%
P
in
¾ Công thức xác định Phần Trăm Biến Thiên Điện Áp
Vno load −V
% voltageregulation =
load ×100%
Vload
Lecture 4
19
BT Trong Lớp
¾ Giải BT 3.22 and 3.23.
Lecture 4
20
20 trang
25280
Free
Bạn đang xem tài liệu "Bài giảng Biến đổi năng lượng điện cơ - Hồ Phạm Huy Ánh (Phần 4)", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_bien_doi_nang_luong_dien_co_ho_pham_huy_anh_phan_4.pdf
