Bài giảng Biến đổi năng lượng điện cơ - Chương 3: Máy biến áp

Biến đổi năng lượng điện cơ -Máy biến áp Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện 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. Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện MBA lý tưởng   Xét một lõi thép có quấn 2 cuộn dây như i1 i2 + + hình vẽ. Bỏ qua các tổn hao, và từ thông tản. v1 N1 N2 v2 – –  Độ thẩm từ là vô cùng hay từ trở bằng 0. d d v1  t N1 v1 t   N 1 v2 t   N 2    a dt dt v2  t  N 2 a được gọi là tỉ số dây quấn.  Tổng stđ mmf bằng mmf N1 i 1  N 2 i 2 R  0 i t N 1  1  2   i2  t  N1 a Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện MBA lý tưởng (tt) i1 Ideal i2 v N i N 1 + + 1 1 a 1  2   v1 v2 v2 N 2 i2 N1 a – – N :N v1 t i 1 t v 2 t i 2  t  0 1 2 i1 Ideal i2 v N i N 1 + + 1 1 a 1 2  v2 N 2 i2 N1 a v1 v2 v t i t  v t i t – – 1 1 2 2 N1:N2  Với MBA lý tưởng i1 L2 v2 1 2 2 k 1        LNLN1 2  2 1 i2 L1 v1 a Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện Đặc tính thay đổi trở kháng của MBA lý tưởng  Xét một MBA lý tưởng với tải trở mắc ở cuộn dây 2 v i Lý tưởng i  Theo định luật Ohm, 2  R 1 2 L + + i2 v v RL  Thay v 2  v 1 a và i2 ai 1 1 2 2 – – v  N  N1:N2 1 2  2  a RLL    R i1  N1   Mở rộng cho trường hợp tải tổng quát 2 2 V  N  V  N  1  2  2  2  2       ZLL a Z I1  N1  I 2  N1  Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện 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 ZNNZo  1 2  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  Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện 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.  Cho v1(t) = Vm1cost là điện áp đưa và cuộn sơ cấp, ta được hay Vm1 2 fN 1  max V1 4.44 fN 1 max Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện Một số hình ảnh MBA MBA loại nhỏ 3 pha loại nhỏ Điều khiển Đúc nhựa tổng hợp 10 kV, MBA dầu 110 kV, dầu 500 kV, dầu Biến đổi năng lượng điện cơ 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. V1 4.44 fN 1 max trong đó V1230 V, f  60 Hz, N 1  200 230 3 Ta được,   4.32  10 webers max 4.44 60  200 4.32 103 Suy ra, B   0.864 webers/m2 m 0.005 Ta được H m  0.864  300  259 At/m , giá trị đỉnh của dòng từ hóa là (259)(0.5)/200 = 0.6475 A. Dó đó, Irms = 0.46 A là dòng từ hóa ở phía sơ cấp. Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện 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, 2 R L1 – aMa2R a L2 – aM i1 i2 1 2 + + + + i 2 v v RL 1 i2/a a R 1 2 v1 aM av2 L – – – – N1:N2 2  L1 – aM là chỉ điện cảm tản của cuộn dây 1, a L2 – 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. Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện 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. 2 L1 – aM 2 a L2 – aM i1 R1 a R2 Ideal i2 + + + v R av v RL 1 c1 (aM)1 2 2 – – – N1:N2  Tải RL, các điện áp và dòng tải có thể qui đổi về phía thứ cấp để được dạng như MBA lý tưởng. Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện MBA ở trạng thái xác lập  Ở xác lập, trở kháng và vector pha có thể được dùng trong mạch tương đương. 2 jxl1 2 ja xl2 R1 a R2 Ideal I 2 + + + I1 I2 a R ZL V1 c1 jXm1 aV2 V2 – – – N1:N2 Trong đó Điện kháng tản của cuộn 1 L1 aM  xl 1  aM   X m1  Điện kháng từ hóa qui đổi về cuộn 1 L2 M a   xl 2  Điện kháng tản của cuộn 2 2 2 a L2  aM   a xl 2  Điện kháng tản của cuộn 2 qui đổi về phía 1 Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện MBA ở trạng thái xác lập (tt)  Tất cả các đại lượng có thể được qui đổi về phía cuộn 1 2 jxl1 2 ja xl2 R1 a R2 + + I1 I2 a 2 V R a ZL aV 1 c1 jXm1 2 – –  Hoặc chúng có thể được qui đổi về phía cuộn 2 2 2 jxl1/a jxl2 R1/a R2 + + Ia 1 I 2 2 V a R /a 2 ZL V 1 c1 jXm1/a 2 – – Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện 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. 2 jxl1 2 ja xl2 R1 a R2 + + I1 I2 a 2 V R a ZL aV2 1 c1 jXm1 – – jx1eq R1eq + + 2 I1 I2 a R1eq  R 1  a R2 a2Z aV V1 R jX L 2 c1 m1 x x  a2 x – – 1eq l 1 l 2 Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện 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 A W Voc Voc I R I X V Rc Xm LV HV Thí nghiệm không tải Mạch tương đương không tải Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện 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. 2 Voc Voc Rc  I R  IIIoc R  X Poc Rc I oc Ta được, III2  2 X oc R Voc I R I X V oc Rc Xm X m  I X  Rc và Xm là các giá trị qui đổi về hạ áp. Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện 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. X Req eq A W I sc Vsc Vsc V HV LV Psc Vsc 2 2 Req  2 Z eq  XZReq eq  eq I sc I sc  Req và Xeq được qui đổi về phía cao áp. Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện 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. 2202 220 Từ thí nghiệm không tải R  968  I   0.227 A c 50 R 968 220 I 12  0.227 2  0.974 A X  225.9  X m 0.974 Từ thí nghiệm ngắn mạch 60 Req  0.2076  17 2 15 Z  0.882  eq 17 2 2 X eq 0.882  0.2076  0.8576  Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện 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 P P  out  out 100%  out  100% Pin Pout  losses PPPout c  i Các tổn hao gồm tổn hao đồng Pc và tổn hao sắt Pi.  Nếu biết công suất vào, PPP    in c i 100% Pin  Độ thay đổi điện áp VV % voltage regulation no load load  100% Vload Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện Bài tập  Bài tập 3.22 và 3.23. Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện