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

N1

N2

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

+ v1 –

+ v2 –

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

1

a

N

N

  tv 1

1

  tv 2

2

N N

 d dt

 d dt

  tv 1   tv 2

2

a được gọi là tỉ số dây quấn.

mmf

R

0

iNiN  22

11

2





N N

1 a

i 1 i

 Tổng stđ mmf bằng   t   t

1

2

Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

MBA lý tưởng (tt)

i1 i2 Ideal

1

2

a





+ +

v 1 v

N N

N N

1 a

i 1 i

2

2

1

2

v1 v2

– –

    t

    0 t

itv 1 1

itv 2

2

N1:N2

i1 i2 Ideal

1

2

a

v 1 v

N N

i 1 i

N N

1 a

+ +

2

2

2

1

v1 v2

    t

   t

itv 1 1

itv 2

2

– –

 Với MBA lý tưởng

L

k

1







NL 1

2 2

NL 2

2 1

i 1 i

1 a

v 2 v 1

2

2 L 1

N1:N2

Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

Đặc tính thay đổi trở kháng của MBA lý tưởng

2

 Theo định luật Ohm,

LR

Lý tưởng i1

+ i2 +

v

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

2   Thay và

av 1

ai 1

RL v1 v2

2

– –

2

2 Ra

R

L

L

N N

v 1 i 1

1

  

  

 Mở rộng cho trường hợp tải tổng quát

2

2

2

2

2

Z

2 Za

L

L

V 1 I

N N

V I

N N

1

1

1

2

  

  

  

  

N1:N2

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 Zo) và tải

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

2

Z

Z

o

L

NN 1

2

 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 N1 vòng được nối với

nguồn điện, cuộn thứ cấp có N2 vòng 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.

là điện áp đưa và cuộn sơ cấp, ta được

 Cho v1(t) = Vm1cost

hay

2 fN

44.4

Vm  1

1

max

V  1

fN 1

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 500 kV, dầu

Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

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

230

V,

f

60

Hz,

N

200

44.4

V 1

1

V  1

fN 1

max

3

32.4

10

webers

Ta được,

 max

230  60

44.4

200

3 

2

Suy ra,

.0

864

webers/m

mB

32.4 .0 300

 10 005 

At/m 259 Ta được , giá trị đỉnh của dòng từ hóa

864

.0

mH

là (259)(0.5)/200 = 0.6475 A. Dó đó, Irms = 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 i2 được thay bởi i2/a,

Mạch tương đương của MBA,

L1 – aM a2L2 – aM R1 a2R2 i1

+ i2 + + +

i1 RL i2/a v1 a2RL v2 av2 v1 aM

– – – –

 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

N1:N2

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 Bm. 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 Ideal

+ + i2 +

RL v1 av2 v2 Rc1 (aM)1

– – –

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

dạng như MBA lý tưởng.

N1:N2

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.

jxl1 ja2xl2 R1 a2R2 Ideal

2I +

a

1I

I 2

+ +

1V –

2Va –

2V –

ZL Rc1 jXm1

N1:N2

x

Trong đó  

l

1

Điện kháng tản của cuộn 1

X

Điện kháng từ hóa qui đổi về cuộn 1

m 1 x

2

l

Điện kháng tản của cuộn 2

   

2 xa

2 

aM L  1    aM aML  

2

l

Điện kháng tản của cuộn 2 qui đổi về phía 1

Bộ môn Thiết bị điện

   2  La aM 2 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

jxl1 ja2xl2 R1 a2R2

a

1I

I 2

+ +

2Va

1V

a2ZL Rc1 jXm1

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

– –

jxl1/a2 jxl2 R1/a2 R2

1Ia

2I

+ +

aV1

2V

ZL Rc1/a2 jXm1/a2

– –

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.

jxl1 ja2xl2 R1 a2R2

1I

aI 2

2Va

+ +

1V

a2ZL Rc1 jXm1

– –

jx1eq R1eq

aI 2

2 Ra

R 1 eq

R 1

2

2Va

+

1I+ 1V

x

2 xa

1

2

x 1 eq

l

l

a2ZL Rc1 jXm1

– –

Bộ môn Thiết bị điện

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.

ocI

W

A

ocV

ocV

XI

RI

V

Xm Rc

Thí nghiệm không tải

Mạch tương đương không tải

LV HV

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 Voc, Ioc, và Poc.

I

I

I

I  R

R c

oc

R

X

V oc R c

2 V oc P oc

ocI

Ta được,

I

I

I

X

2 oc

2 R

ocV

XI

RI

oc

X  m

V I

X

 Rc và Xm là các giá trị qui đổi về hạ áp.

Xm Rc

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 Vsc, Isc, và Psc.

scI

W

A

scV

scV

V

Xeq Req

sc

X

Z

R

Z  eq

R  eq

eq

2 eq

2 eq

V I

sc

P sc 2 I sc

 Req và Xeq được qui đổi về phía cao áp.

HV LV

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.

Từ thí nghiệm không tải

.0

A 227

968

RI

cR

220 968

  220 2 50

2

225

9.

2 1

227

.0

A 974

 .0

mX

XI

220 974.0

Từ thí nghiệm ngắn mạch

.0

2076 

eqR

2

.0

882

eqZ

60   17 15 17

2

2

882.0

.0

2076

.0

8576 

eqX

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

%100

%100

P out losses 

P out P in

P out

P out PP   c i

P out

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

 Nếu biết công suất vào,

P in

P i

%100

P c P in

 Độ thay đổi điện áp

V

V

no

load

%

voltage regulation

%100

load 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