Tài liệu Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ - Phần 2 ppt

1Lecture 4
BÀI GIẢNG
Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ
TS. Hồ Phạm Huy Ánh
March 2010
/>2Lecture 4
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 viễ
n 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.
Máy Biến Thế –Giới Thiệu Chung
3Lecture 4
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 .
¾ Từ thẩm lõi thép vô cùng lớn (tương
đương với từ trỡ lỏi thép bằng zero.
Máy Biến Áp Lý Tưởng
φ
N
1
N
2
i

1
i
2
v
2
v
1
+
–
+
–
()
dt
d
Ntv
φ
11
=
()
dt
d
Ntv
φ
22
=
⇒
(
)
()
a

N
N
tv
tv
==
2
1
2
1
Ta gọi a là tỉ số dây quấn.
¾ Sức từ động tổng mmf được tính bởi
0
2211
=
=
+
=
φ
RiNiNmmf
⇒
()
()
aN
N
ti
ti
1
1
2
2

1
−=−=
4Lecture 4
¾ Ta suy ra với MBA Lý Tưởng
Ideal
N
1
:N
2
+
–
+
–
i
1
i
2
v
1
v
2
Ideal
N
1
:N
2
+
–
+
–

i
1
i
2
v
1
v
2
aN
N
i
i
a
N
N
v
v
1
1
2
2
1
2
1
2
1
−=−===
aN
N
i

i
a
N
N
v
v
1
1
2
2
1
2
1
2
1
====
() () ()
(
)
0
2211
=
+ titvtitv
() () ()
(
)
titvtitv
2211
=
av

v
L
L
i
i
k
1
1
1
2
1
2
2
1
−=−=−== ⇒
2
12
2
21
NLNL =
Máy Biến Áp Lý Tưởng (tt)
5Lecture 4
¾ Khảo sát MBA lý tưởng có tải trở mắc ở cuộn thứ
¾ Định Luật Ohm cho,
¾ Thay và
Thuộc tính trở kháng biến đổi của MBA Lý Tưởng
R
L
Ideal
N

1
:N
2
+
–
+
–
i
1
i
2
v
1
v
2
L
R
i
v
=
2
2
avv
12
=
12
aii
=
LL
R

N
N
Ra
i
v
2
1
2
2
1
1
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
==
¾ Kết quả trên dễ dàng được mở rộng với tổng trỡ phức
LL
ZaZ
N
N
I
V
N
N
I

V
2
2
1
2
2
2
2
1
2
1
1
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛

=
6Lecture 4
¾ Thuộc tính điện kháng biến đổi có thể được áp dụng để thực hiện phối
hợp trở kháng sơ-thứ của MBA, qua đótối ưu hóa công suất truyền tải.
¾ MBA lý tưởng đặt giữa nguồn (có tổng trở Z
o
) và tải (có tổng trở Z
L
). Tỉ
lệ dây quấn vì thế nên được chọn sao cho
Tính tương hợp trở kháng
(
)
Lo
ZNNZ
2
21
≈
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 tải4 Ω nốivới R và qui về sơ cấpbằng (R + 4(2)
2
)(2)
2
. Nhằmtối đa
công suất truyền tải ta cần,
64410
=
+
R

⇒
Ω
=
5.13R
7Lecture 4
¾ Hai cuộn dây quấn mắc trên mạch từ
sao cho từ rò được giảm thiểu nhỏ nhất.
¾ Cuộn sơ “Primary”gồm N
1
vòng nối
với nguồn, cuộn thứ “Secondary”gồm N
2
vòng nối với Tải.
MBA Công Suất
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 v
1
(t) = V
m1
cos
ω
t là điện áp cung cấp cho dây quấn sơ cấp, ta có
quan hệ
max11
2
φ
π
fNV
m

=
hay
max11
44.4
φ
fNV =
8Lecture 4
Các hình ảnh minh họa các loại MBA một pha và ba pha
MBA cách ly
MBA CS bé
MBA 3 pha CS bé
MBA khô
10 kV, MBA dầu
110 kV, MBA dầu
500 kV, MBA dầu
9Lecture 4
¾ BT 3.8: Cho N
1
, N
2
, 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.
Bài Tập:
max11
44.4
φ
fNV =
với
200 Hz, 60 V, 230

11
=
=
=
NfV
webers1032.4
2006044.4
230
3
max
−
×=
××
=
φ
Vì thế,
2
3
webers/m864.0
005.0
1032.4
=
×
=
−
m
B
Suy ra,
Như vậy ta có , suy ra giá trị max của
dòng từ hóa bằng (259)(0.5)/200 = 0.6475 A. Tức, I

rms
= 0.46 A là dòng
từ hóa cần cung cấpphía sơ cấp.
At/m 259300864.0
=
×
=
m
H
10Lecture 4
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 (= N
1
/N
2
) .Từ
đó i
2
được thay bởi i
2
/a, ta có được mạch tương đương chính xác qui về sơ cấp.
R
L
N
1
:N
2
+
–

+
–
i
1
i
2
v
1
v
2
a
2
R
L
a
2
R
2
aM
i
1
i
2
/a
R
1
L
1
–aM a
2

L
2
–aM
v
1
av
2
–
+
–
+
¾ (L
1
–aM)dùng thể hiện điện kháng rò của dây quấn sơ, a
2
L
2
–aMdùng 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
Mạch tương đương của MBA với lỏi thép chưa bảo hòa
11Lecture 4
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 B
m
. Thể hiện qua trở Rc
1
trên mạch tương đương. Điện trở này được đấu
song song với thành phần điện kháng từ hóa aM.

Mạch tương đương của MBA với lỏi thép chưa bảo hòa (tt.)
R
L
Ideal
N
1
:N
2
+
–
+
–
i
1
i
2
v
1
v
2
+
–
av
2
R
1
L
1
–aM
R

c1
(aM)
1
a
2
R
2
a
2
L
2
–aM
¾ Giá trị thực của dòng và áp qua tải R
L
có thể dễ dàng phục hồi bằng
cách qui lại về phía thứ cấp.
12Lecture 4
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.
Z
L
Ideal
N
1
:N
2
+
–
+
–

+
–
R
1
jx
l1
R
c1
jX
m1
a
2
R
2
ja
2
x
l2
Trong đó
1
I
2
I
2
V
1
V
2
Va
aI

2
()
()
()
()
==−
==−
==
=
=−
2
2
2
2
22
1
11
l
l
m
l
xaaMLa
xaML
XaM
xaML
ω
ω
ω
ω
Điện kháng rò của dây quấn sơ

Điện kháng từ hóa qui về sơ cấp
Điện kháng rò của dây quấn thứ
Điện kháng rò của dây quấn thứ qui về sơ cấp
MBA vận hành xác lập
13Lecture 4
¾ Các thông số mạch được qui về phía cuộn sơ cấp
MBA vận hành xác lập (tt.)
a
2
Z
L
+
–
+
–
R
1
jx
l1
R
c1
jX
m1
a
2
R
2
ja
2
x

l2
1
I
1
V
2
Va
aI
2
Z
L
+
–
+
–
R
1
/a
2
jx
l1
/a
2
R
c1
/a
2
jX
m1
/a

2
R
2
jx
l2
1
Ia
aV
1
2
V
2
I
¾ Hoặc được qui về phía cuộn thứ cấp
14Lecture 4
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.
Mạch tương đương gần đúng của MBA
R
1
1
I
+
–
R
c1
jX
m1

1
V
a
2
Z
L
+
–
jx
l1
a
2
R
2
ja
2
x
l2
2
Va
aI
2
R
1eq
1
I
+
–
R
c1

jX
m1
1
V
a
2
Z
L
+
–
jx
1eq
2
Va
aI
2
2
2
11
2
2
11
lleq
eq
xaxx
RaRR
+=
+=
15Lecture 4
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).
A
V
W
oc
V
LV HV
TN Không Tải
oc
V
R
c
X
m
R
I
X
I
oc
I
Mạch tương đương
Thí Nghiệm Không Tải (TNKT) & Ngắn Mạch (TNNM) cho MBA
16Lecture 4
¾ TNKT được tiến hành với hai đầu thứ cấp được hở mạch. Áp định
mức được cấp trong TNKT. Các số liệu V
oc
, I
oc

, và P
oc
được thu thập khi
tiến hành TN.
oc
oc
c
P
V
R
2
=
c
oc
R
R
V
I
=
XRoc
III +=
Từ đó,
22
RocX
III −=
X
oc
m
I
V

X =
¾ R
c
và X
m
thể hiện trên mạch tương đương được qui về sơ cấp (HV) MBA.
oc
V
R
c
X
m
R
I
X
I
oc
I
Thí Nghiệm Hở Mạch hay TN Không Tải (TNKT)
17Lecture 4
¾ Các đồng hồ đo đều được gắn phía sơ cấp. Dòng ngắn mạch bằng
dòng định mức được thử. Số liệu V
sc
, I
sc
, và P
sc
được thu thập.
Thí Nghiệm Ngắn Mạch (TNNM)
¾ R

eq
và X
eq
thể hiện trên mạch tương đương qui về sơ cấp (HV) MBA.
A
V
W
sc
V
HV LV
R
eq
X
eq
sc
V
sc
I
2
sc
sc
eq
I
P
R =
sc
sc
eq
I
V

Z =
22
eqeqeq
RZX −=
18Lecture 4
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)
Ví Dụ:
Các kết quả suy ra được từ số liệu Thí Nghiệm Ngắn Mạch (TNNM)
(
)
Ω== 968
50
220
2
c
R
A 227.0
968
220
==
R
I
()
A 974.0227.01
2
2
=−=
X

I
Ω== 9.225
974.0
220
m
X
()
Ω== 2076.0
17
60
2
eq
R
Ω== 882.0
17
15
eq
Z
Ω=−= 8576.02076.0882.0
22
eq
X
19Lecture 4
¾ Hiệu suất MBA được tính bằng tỉ số công suất ra chia cho công suất vào.
Tính Hiệu Suất và Xác Định Phần Trăm Biến Thiên Điện Áp
¾ Công thức xác định Phần Trăm Biến Thiên Điện Áp
%100%100 ×
++
=×
+

==
icout
out
out
out
in
out
PPP
P
lossesP
P
P
P
η
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,
%100×
−
−
=
in
icin
P
PPP
η
%100regulation voltage%
load
loadload no
×
−

=
V
VV
20Lecture 4
¾ Giải BT 3.22 and 3.23.
BT Trong Lớp