Bài giảng Máy điện: Chương 2 - TS. Nguyễn Quang Nam

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:22

Thêm vào BST

Báo xấu

213
lượt xem 31
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Máy điện: Chương 2 có nội dung trình bày về máy biến áp, máy biến áp lý tưởng, phối hợp trở kháng, máy biến áp vận hành xác lập hình sin, các yếu tố kỹ thuật trong phân tích MBA, thí nghiệm hở mạch, thí nghiệm ngắn mạch.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Máy điện: Chương 2 - TS. Nguyễn Quang Nam

Bài giảng Chương 2: Máy biến áp TS. Nguyễn Quang Nam 2013 – 2014, HK 2 http://www4.hcmut.edu.vn/~nqnam/lecture.php nqnam@hcmut.edu.vn Phần 1 1 Máy biến áp – Giới thiệu Truyền tải điện năng từ một mạch sang một mạch khác thông qua từ trường. Ứng dụng: cả lĩnh vực năng lượng lẫn truyền thông. Trong truyền tải, phân phối, và sử dụng điện năng: tăng hay giảm điện áp ở tần số cố định (50/60 Hz), ở công suất hàng trăm W đến hàng trăm MW. Phần 1 2
Máy biến áp – Giới thiệu (tt) Trong truyền thông, máy biến áp có thể được dùng để phối hợp trở kháng, cách ly DC, và thay đổi cấp điện áp ở công suất vài W trên một dải tần số rất rộng. Gần đây, máy biến áp với lõi ferrite (còn gọi là biến áp xung) đang ngày càng phổ biến theo sự phát triển của các bộ biến đổi điện tử công suất (bộ nguồn xung trong các máy tính là một ví dụ). Môn học này chỉ xem xét các máy biến áp công suất. Phần 1 3 Máy biến áp – Giới thiệu (tt) Sự biến đổi năng lượng chỉ yêu cầu có từ thông móc vòng biến thiên theo thời gian. Do đó, lõi không khí cũng có thể tạo ra hiệu ứng biến áp, nhưng lõi thép kỹ thuật điện sẽ cho phép thực hiện hiệu quả hơn rất nhiều lần. Lõi thép trong máy biến áp được ghép từ nhiều lá thép mỏng, để giảm tổn hao do dòng điện xoáy. Mặc dù máy biến áp lực sử dụng lõi thép, vẫn tồn tại một lượng nhỏ từ thông tản, chỉ liên quan đến từng dây quấn. Phần 1 4
Một số hình ảnh về máy biến áp Công suất nhỏ 3 pha nhỏ Điều khiển Loại khô 110 kV, ngâm dầu 10 kV, ngâm dầu 500 kV, ngâm dầu Phần 1 5 Máy biến áp – Hoạt động không tải Nếu cấp điện cho dây quấn sơ cấp, và để hở mạch dây quấn thứ cấp, ta có điều kiện làm việc không tải (hình 2.4). Để tạo ra từ thông làm việc trong máy (bằng với giá trị bình thường), cần có một dòng điện được cung cấp từ nguồn, được gọi là dòng điện không tải. Thông thường dòng điện từ hóa có giá trị rất nhỏ so với dòng điện định mức, do đó có thể xem điện áp cảm ứng có giá trị bằng với điện áp đặt vào dây quấn. Phần 1 6
Máy biến áp – Hoạt động không tải (tt) Giả sử từ thông có dạng φ = φmax sin (ωt ) (2.1) Điện áp đặt vào V1 khi đó sẽ thỏa mãn V1 = 2πfφmax N1 = 4,44 fφmax N1 (2.2) với f là tần số dòng điện từ hóa, và N1 là số vòng dây của cuộn sơ cấp. Nếu mạch từ hoạt động ở vùng phi tuyến, dạng sóng dòng từ hóa sẽ khác với dạng sóng từ thông. Phần 1 7 Máy biến áp – Hoạt động không tải (tt) Dòng điện không tải bao gồm 2 thành phần: thành phần tổn hao lõi thép và thành phần từ hóa. Khi mạch từ hoạt động ở vùng phi tuyến, dòng điện không tải sẽ gồm thành phần cơ bản và các họa tần bậc lẻ. Xét thành phần cơ bản của dòng điện không tải hoặc dòng điện không tải hình sin tương đương, có thể biểu diễn dòng điện không tải bằng một giản đồ vectơ (hình 2.5). Ví dụ 2.1 (sách Fitzgerald). Phần 1 8
Máy biến áp lý tưởng Xét một mạch từ có quấn 2 cuộn i1 φ i2 dây như hình vẽ. Bỏ qua các tổn + + v1 N1 N2 v2 hao, điện dung ký sinh, và từ thông – – rò. Xem mạch từ có độ thẩm từ vô cùng lớn hay từ trở bằng 0. dφ dφ v1 (t ) N1 v1 (t ) = N 1 v 2 (t ) = N 2 ⇒ = =a (2.3) dt dt v 2 (t ) N 2 a được gọi là tỷ số vòng dây. Phần 1 9 Máy biến áp lý tưởng (tt) Sức từ động tổng cho bởi mmf = N1i1 + N 2 i2 = Rφ = 0 (2.4) i1 (t ) N 1 ⇒ =− 2 =− (2.5) i2 (t ) N1 a Dẫn đến mô hình toán của MBA như sau i1 Ideal i2 v1 N1 i1 N 1 + + = =a =− 2 =− v2 N 2 i2 N1 a v1 v2 – – v1 (t )i1 (t ) + v2 (t )i2 (t ) = 0 (2.6) N1:N2 Phần 1 10
Máy biến áp lý tưởng (tt) Một mô hình khác sát với hiện tượng vật lý hơn i1 i2 v1 N1 i1 N 2 1 Ideal = =a = = + + v2 N 2 i2 N1 a v1 v2 v1 (t )i1 (t ) = v2 (t )i2 (t ) – – N1:N2 Có thể thấy rằng, với một máy biến áp lý tưởng (theo quy ước mạch điện như ở slide trước) i1 L2 v 1 k =1 =− =− 2 =− ⇒ L1 N 2 = L2 N 12 2 (2.7) i2 L1 v1 a Phần 1 11 Tính chất thay đổi trở kháng của MBA lý tưởng Xét 1 MBA lý tưởng với tải điện trở nối vào dây quấn 2 v2 Theo định luật Ohm = RL i1 Ideal i2 i2 + + Thay v2 = v1 a và i2 = ai1 v1 v2 RL 2 – – v1 N  N1:N2 = a 2 RL =  1  RL N  (2.8) i1  2 Có thể dễ dàng mở rộng kết quả trên cho các hệ thống có tải phức. Có thể chứng minh rằng 2 2 V1  N1  V2  N1  =  N  I =  N  ZL = a ZL    2 (2.9) I1  2  2  2  Phần 1 12
Quy đổi tổng trở, điện áp, và dòng điện Như vậy, nếu chỉ khảo sát phía sơ cấp, sẽ không thể phân biệt được giữa mạch điện có điện trở tương đương nối vào sơ cấp, với mạch điện có tổng trở tải nối vào thứ cấp. Tóm lại, trong máy biến áp lý tưởng, điện áp được quy đổi theo tỷ số vòng dây, dòng điện theo nghịch đảo tỷ số vòng dây, và tổng trở theo bình phương tỷ số vòng dây. Công suất thực và công suất biểu kiến không đổi. Phần 1 13 Phối hợp trở kháng Tính chất thay đổi trở kháng có thể được dùng để cực đại hóa việc truyền công suất giữa các dây quấn, hay phối hợp trở kháng. Một MBA lý tưởng được đặt giữa nguồn công suất (trở kháng Zo) và tải (trở kháng ZL). Tỷ số vòng dây được chọn sao cho Z o ≈ (N1 N 2 ) Z L 2 (2.10) Phần 1 14
Mạch tương đương của MBA với mạch từ tuyến tính Xét một MBA với từ thông rò và điện trở dây quấn. Mạch tương đương rút trực tiếp từ mô hình vật lý là đơn giản nhưng không có ích lắm. Các phương trình phía thứ cấp được nhân với a (= N1/N2) và i2 được thay thế bởi i2/a, để rút ra một mạch tương đương có ích hơn (hình 2.10). L1 – aM 2 i1 i2 R1 a2R2 a L2 – aM + + + + i1 i2/a v1 v2 RL v1 aM av2 a2RL – – – – N1:N2 Phần 1 15 Mạch tương đương của MBA với mạch từ tuyến tính L1 – aM được gọi là điện cảm tản của dây quấn 1, a2L2 – aM được gọi là điện cảm tản “quy đổi” của dây quấn 2. aM là điện cảm từ hóa, và dòng điện đi cùng với nó được gọi là dòng điện từ hóa. Tồn tại tổn hao công suất trong lõi từ do từ trễ và dòng xoáy. Các tổn hao này rất khó tính toán bằng giải tích. Tổng các tổn hao này biểu diễn tổn hao tổng trong mạch từ của máy biến áp, và chỉ phụ thuộc vào giá trị Bm. Chúng được gọi là tổn hao (lõi) thép. Một điện trở có thể được mắc song song với điện kháng từ hóa aM để kể đến các tổn hao này. Phần 1 16
Mạch tương đương của MBA với mạch từ tuyến tính (tt) Khi có xét đến các tổn hao công suất, mạch tương đương (hình T) của MBA như sau L1 – aM 2 i1 R1 a2R2 a L2 – aM Ideal i2 + + + v1 Rc1 (aM)1 av2 v2 RL – – – N1:N2 Tải thực RL và điện áp/dòng điện đi cùng với nó có thể có được bằng cách quy đổi ngược về phía thứ cấp, qua một MBA lý tưởng (như được thể hiện ở hình trên). Phần 1 17 Máy biến áp vận hành xác lập hình sin Khi vận hành xác lập, các trở kháng và vectơ pha có thể được dùng trong mạch tương đương. R1 jxl1 a2R2 ja2xl2 I2 Ideal + I1 I2 a + + V1 Rc1 jXm1 aV2 V2 ZL – – – N1:N2 với ω (L1 − aM ) = xl1 = Điện kháng tản của dây quấn 1 ω (aM ) = X m1 = Điện kháng từ hóa quy đổi về dây quấn 1 ω ( L2 − M a ) = x l 2 = Điện kháng tản của dây quấn 2 ω (a 2 L2 − aM ) = a 2 xl 2 = Điện kháng tản của d/quấn 2 quy đổi về d/quấn 1 Phần 1 18
Máy biến áp vận hành xác lập hình sin (tt) Tất cả các đại lượng có thể được quy đổi về dây quấn 1 R1 jxl1 a2R2 ja2xl2 + I1 I2 a + V1 Rc1 jXm1 a2ZL aV2 – – Hoặc có thể quy đổi về dây quấn 2 R1/a2 jxl1/a2 R2 jxl2 + aI1 I2 + V1 a Rc1/a2 jXm1/a2 ZL V2 – – Phần 1 19
Bài giảng Chương 2: Máy biến áp TS. Nguyễn Quang Nam 2013 – 2014, HK 2 http://www4.hcmut.edu.vn/~nqnam/lecture.php nqnam@hcmut.edu.vn Phần 2 1 Các yếu tố kỹ thuật trong phân tích MBA Nhánh từ hóa khiến việc tính toán khá khó khăn, do đó nhánh này được chuyển lên phía đầu dây quấn 1, tạo thành một mạch tương đương gần đúng, với sai số không đáng kể. R1 jxl1 a2R2 ja2xl2 + I1 I2 a + V1 Rc1 jXm1 a2ZL aV2 – – R1eq jx1eq + + I1 I2 a R1eq = R1 + a 2 R2 (2.11) V1 Rc1 jXm1 a2ZL aV2 x1eq = xl1 + a 2 xl 2 (2.12) – – Phần 2 2
Thí nghiệm hở mạch và ngắn mạch của MBA Các thông số trong mạch tương đương có thể được xác định nhờ hai thí nghiệm đơn giản: thí nghiệm hở mạch and thí nghiệm ngắn mạch. Trong các MBA công suất, các dây quấn còn được gọi là dây quấn cao áp (HV) và dây quấn hạ áp (LV). Các tên gọi này được dùng trong các thí nghiệm hở mạch và ngắn mạch. Phần 2 3 Thí nghiệm hở mạch Thí nghiệm được thực hiện với tất cả dụng cụ đo ở phía hạ áp còn phía cao áp được hở mạch. Đặt điện áp định mức vào phía hạ áp. Đo được Voc, Ioc, và Poc bằng các dụng cụ đo. I oc A W Voc Voc IR IX V Rc Xm LV HV Thí nghiệm hở mạch Mạch tương đương Phần 2 4
Thí nghiệm hở mạch (tt) Lần lượt tính toán như sau 2 Voc Voc Rc = IR = I oc = I R + I X Poc Rc I oc Vậy, Voc IX I X = I oc − I R 2 2 IR Rc Xm Voc Xm = IX Mạch tương đương Rc và Xm là các giá trị quy đổi về phía hạ áp. Phần 2 5 Thí nghiệm ngắn mạch Tất cả dụng cụ đo nằm ở phía cao áp. Cấp dòng điện định mức vào phía cao áp. Đo được Vsc, Isc, và Psc bằng các dụng cụ đo. Req Xeq A W I sc Vsc Vsc V HV LV Psc Vsc Req = 2 Z eq = X eq = Z eq − Req 2 2 I sc I sc Req và Xeq được quy đổi về phía cao áp. Phần 2 6
Hiệu suất Hiệu suất được định nghĩa là tỷ số giữa công suất thực ngõ ra và công suất thực ngõ vào. Pout Pout Pout η= = ×100% = ×100% (2.13) Pin Pout + losses Pout + Pc + Pi Các tổn hao (losses) bao gồm tổn hao đồng Pc và tổn hao sắt (thép) Pi. Cách khác, nếu đã biết công suất vào, Pin − Pc − Pi η= × 100% (2.14) Pin Phần 2 7 Hiệu suất (tt) Định nghĩa hệ số tải β I2 β= (2.15) I 2 dm Hiệu suất có thể được tính bởi  P0 + β 2 Pn  η (% ) = 1 −  βS cos(θ ) + P + β 2 P  ×100%  (2.16)  dm 2 0 n  với P0 = Poc, Pn = Psc, và Sdm là công suất (biểu kiến) định mức của máy biến áp. Phần 2 8
Độ ổn định điện áp Độ ổn định điện áp được định nghĩa là Vno load − Vload %∆V = ×100% (2.17) Vload Vno load – điện áp không tải, Vload – điện áp khi có tải Độ ổn định được hiểu theo nghĩa: giá trị %∆V càng nhỏ thì điện áp càng ổn định, khi tải thay đổi. Thảo luận: Độ ổn định điện áp có phụ thuộc vào tính chất cảm kháng hay dung kháng của tải hay không? Phần 2 9 Độ ổn định điện áp (tt) Có thể tính gần đúng %∆V = β (unr % cos(θ 2 ) + unx % sin (θ 2 ))×100% (2.18) với β là hệ số tải, θ2 là góc hệ số công suất phía của tải, unr và unx là phần thực và phần ảo của vectơ pha ∆U (là hiệu của vectơ pha điện áp U2 khi không tải và khi có tải). Phần 2 10
Máy biến áp tự ngẫu Hai cuộn dây của một MBA bình thường có thể được nối lại để tạo thành MBA tự ngẫu, như hình 2.17b. Nguồn: “Electric Machinery”, 6E, Fitzgerald Phần 2 11 Máy biến áp tự ngẫu (tt) Việc làm trên sẽ khiến 2 cuộn dây của máy không còn cách ly với nhau nữa. Tuy nhiên, khi điện áp sơ cấp và thứ cấp không quá khác biệt, MBA tự ngẫu có thể giảm chi phí chế tạo nhiều, cũng như có điện kháng tản, tổn hao, và dòng điện không tải nhỏ hơn so với MBA 2 dây quấn (ví dụ 2.7). Phần 2 12
Ví dụ 2.7 (Sách Fitzgerald) MBA 2400:240-V 50 kVA trong vd 2.6 được nối thành máy biến áp tự ngẫu (BATN), như trong hình 2.18a, với ab là dây quấn 240 V và bc là dây quấn 2400 V. Tính định mức điện áp VH và VX tương ứng với phía cao áp và hạ áp. Tính định mức kVA của BATN Tổn thất được cho trong vd 2.6. Tính hiệu suất định mức của BATN ở tải định mức với hệ số công suất 0,8 trễ. Phần 2 13 Máy biến áp ba pha Có thể dùng 3 máy biến áp 1 pha để nối thành máy biến áp 3 pha theo 1 trong 4 cách sau: Y-∆, ∆- Y, ∆-∆, và Y-Y (hình 2.19, sách Fitzgerald). Trong các sơ đồ trên hình, các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp song song với nhau là các cuộn dây tương ứng. Bất chấp kiểu nối dây, định mức của máy biến áp 3 pha bằng 3 lần định mức của máy biến áp 1 pha thành phần. Phần 2 14
Máy biến áp ba pha (tt) Nguồn: “Electric Machinery”, 6E, Fitzgerald Phần 2 15 Máy biến áp ba pha (tt) Kiểu nối Y-∆ thường được dùng để hạ điện áp từ cao thế xuống trung hoặc hạ thế. Lý do là trung tính phía cao thế trong nhiều trường hợp cần được nối đất. Kiểu nối ∆-Y thường dùng để tăng điện áp đến giá trị cao thế. Kiểu nối ∆-∆ có một ưu điểm là một máy biến áp có thể được tháo ra để sửa chữa trong khi hai máy còn lại vẫn vận hành với tổng công suất còn 58%. Phần 2 16
Máy biến áp ba pha (tt) Kiểu nối Y-Y ít khi được dùng vì không có dây quấn nào cho phép khử các họa tần bậc 3. Cũng có thể sử dụng một lõi thép nhiều trụ để chế tạo máy biến áp 3 pha. Các ưu điểm: chi phí, trong lượng, diện tích sàn nhỏ hơn, và hiệu suất cao hơn đôi chút. Phần 2 17 Máy biến áp ba pha (tt) Với các hệ cân bằng, có thể phân tích máy 3 pha bằng sơ đồ 1 pha, với giả thiết hiện tượng xảy ra trong 2 pha còn lại không khác gì. Khi gặp các bài toán có các mạch 3 pha nối ∆, có thể quy đổi thành mạch 3 pha nối Y tương đương. Ví dụ 2.8 (sách Fitzgerald). Phần 2 18
Ví dụ 2.8 (Sách Fitzgerald) Ba MBA một pha 50 kVA, 2400:240-V hoàn toàn giống nhau (như trong vd 2.6) được nối theo kiểu Y- ∆ để tạo thành MBA 150 kVA, và nối vào một đường dây có tổng trở 0,15 + j1,00 Ω/pha. MBA cung cấp cho một tải 3 pha cân bằng thông qua một đường dây có tổng trở 0,0005 +j0,002 Ω/pha. Tìm điện áp dây của tải khi tải tiêu thụ dòng định mức từ MBA ở HSCS 0,8 trễ. Phần 2 19 Máy biến điện áp và máy biến dòng Máy biến áp cũng thường được dùng trong đo lường để điều chỉnh cấp điện áp hay dòng điện cho phù hợp với thang đo của thiết bị đo. Điện áp và dòng điện cần đo có thể có giá trị rất lớn so với các thang đo đã chuẩn hóa. Một kỹ thuật phổ biến là dùng các máy biến áp đặc biệt, gọi là PT và CT. Phần 2 20