Bài giảng Biến đổi năng lượng điện cơ - Bài giảng 2

iết các phương trình mạch.
15Bài giảng 2
Xác ñịnh cực tính

 Các bước xác ñịnh:
 Chọn tùy ý 1 cực của 1 cuộn dây và gán dấu chấm.
 Giả sử 1 dòng ñiện chạy vào ñầu có dấu chấm và xác ñịnh từ
thông trong lõi.
 Chọn một cực bất kỳ của cuộn thứ hai và gán 1 dòng ñiện dương 
cho nó.
 Xác ñịnh chiều từ thông do dòng ñiện này.
 So sánh chiều của các từ thông. Nếu cả hai cộng tác dụng, dấu 
chấm ñược ñặt ở cực có dòng ñiện ñi vào của cuộn thứ hai.
 Nếu các từ thông ngược chiều, dấu chấm ñược ñặt ở cực có dòng 
ñiện ñi ra khỏi cuộn thứ hai.
16Bài giảng 2
Cách xác ñịnh cực tính thực tế

 Với các máy biến áp, không có cách nào ñể biết các cuộn dây ñược 
quấn ra sao, do ñó người ta sử dụng phương pháp thực tế sau.
Dùng 1 nguồn DC ñể kích thích 
một cuộn dây, xem hình bên.
ðánh dấu chấm vào cực nối với 
cực dương của nguồn DC.
ðóng công tắc: Kim vôn kế nhích theo chiều dương => dấu chấm cho 
cuộn dây kia nằm ở cực nối với cực dương của vôn kế. Kim vôn kế
nhích theo chiều âm => dấu chấm nằm ở cực nối với cực âm của vôn kế.
+
_
17Bài giảng 2
Viết phương trình cho các cuộn dây có hỗ cảm

 Cho hai cuộn dây có hỗ cảm ñã ñánh dấu cực tính, viết phương trình.
Chọn chiều bất kỳ cho các dòng ñiện.
Quy tắc: Dòng ñiện tham chiếu ñi vào cực có (không có) dấu chấm, ñiện 
áp cảm ứng trong cuộn kia là dương (âm) ở ñầu có (không có) dấu chấm. 
Dòng ñiện tham chiếu rời khỏi cực có (không có) dấu chấm, ñiện áp cảm 
ứng tại cực có (không có) dấu chấm của cuộn kia là âm.
v1 v2
R1 R2
i1 i2
M
dt
di
M
dt
di
LRiv 211111 ++=
dt
di
M
dt
di
LRiv 122222 ++=
18Bài giảng 2
Ví dụ tại lớp

 Vd 3.6: Viết các phương trình mạch vòng cho mạch có hỗ cảm.
Giả thiết ñiện áp ban ñầu trên tụ bằng 0
i1 R2 C
L1
R1
i2
v1
M
L2
(i1 – i2)
( ) ( )
( ) 2122
12121
2
20 2
10
Rii
dt
di
M
ii
dt
dLii
dt
dM
dt
di
Ldti
C
t
−++
−+−−+= ∫
( )
( )
dt
di
Mii
dt
dL
RiiRiv
2
211
221111
−−+
−+=
19Bài giảng 2

 Truyền tải ñiện năng từ một mạch sang một mạch khác thông qua từ 
trường.

 Ứng dung: cả lĩnh vực năng lượng lẫn truyền thông.

 Trong truyền tải, phân phối, và sử dụng ñiện năng: tăng hay giảm 
ñiện áp ở tần số cố ñịnh (50/60 Hz), ở công suất hàng trăm W ñến 
hàng trăm MW.

 Trong truyền thông, máy biến áp có thể ñược dùng ñể phối hợp trởn 
kháng, cách ly DC, và thay ñổi cấp ñiện áp ở công suất vài W trên một 
dải tần số rất rộng.

 Môn học này chỉ xem xét các máy biến áp công suất.
Máy biến áp – Giới thiệu
20Bài giảng 2

 Xét một mạch từ có quấn 2 cuộn dây như 
hình vẽ. Bỏ qua các tổn hao, ñiện dung ký 
sinh, và từ thông rò.

 ðộ thẩm từ vô cùng lớn hay từ trở bằng 0.
Máy biến áp lý tưởng
φ
N1 N2
i1 i2
v2v1
+
–
+
–
( )
dt
dNtv φ11 = ( ) dt
dNtv φ22 = ⇒ ( )( ) aN
N
tv
tv
==
2
1
2
1
a ñược gọi là tỷ số vòng dây. 

 Sức từ ñộng tổng cho bởi 02211 ==+= φRiNiNmmf
⇒
( )
( ) aN
N
ti
ti 1
1
2
2
1
−=−=
21Bài giảng 2

 Có thể thấy rằng, với một máy biến áp lý tưởng
Máy biến áp lý tưởng (tt)
Ideal
N1:N2
+
–
+
–
i1 i2
v1 v2
Ideal
N1:N2
+
–
+
–
i1 i2
v1 v2
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
====
( ) ( ) ( ) ( ) 02211 =+ titvtitv
( ) ( ) ( ) ( )titvtitv 2211 =
av
v
L
L
i
ik 11
1
2
1
2
2
1
−=−=−== ⇒ 212
2
21 NLNL =
22Bài giảng 2

 Xét 1 MBA lý tưởng với tải ñiện trở nối vào dây quấn 2

 Theo ñịnh luật Ohm

 Thay và
Tính chất thay ñổi trở kháng của MBA lý tưởng
RL
Ideal
N1:N2
+
–
+
–
i1 i2
v1 v2
LRi
v
=
2
2
avv 12 = 12 aii =
LL RN
N
Ra
i
v
2
1
22
1
1






==

 Có thể dễ dàng mở rộng kết quả trên cho các hệ thống có tải phức. 
Có thể chứng minh rằng
LL ZaZN
N
I
V
N
N
I
V 2
2
1
2
2
2
2
1
2
1
1
=





=





=
23Bài giảng 2

 Tính chất thay ñổi trở kháng có thể ñược dùng ñể cực ñại hóa việc 
truyền công suất giữa các dây quấn, hay phối hợp trở kháng.

 Một MBA lý tưởng ñược ñặt giữa nguồn công suất (trở kháng Zo) và
tải (trở kháng ZL). Tỷ số vòng dây ñược chọn sao cho
Phối hợp trở kháng
( ) Lo ZNNZ 221≈

 Vd. 3.7: Hai MBA lý tưởng (mỗi máy có tỷ số 2:1) và một ñiện trở R 
ñược dùng ñể cực ñại hóa việc truyền công suất. Tìm R.
ðiện trở tải 4 Ω kết hợp với R ñược quy ñổi về ngõ vào thành (R + 
4(2)2)(2)2. ðể có công suất truyền cực ñại,
64410 =+ R ⇒ Ω= 5,13R
24Bài giảng 2

 Hai dây quấn trên một lõi từ, ñể giảm 
thiểu từ thông rò.

 Dây quấn “Sơ cấp” (N1 vòng) nối vào 
nguồn ñiện, dây quấn “thứ cấp” (N2 
vòng) nối vào mạch tải.
Máy biến áp công suất

 Giả thiết máy biến áp là lý tưởng: không có từ thông rò, bỏ qua ñiện 
trở dây quấn, mạch từ có ñộ thẩm từ vô cùng lớn, và không tổn hao.

 Gọi v1(t) = Vm1cosωt là ñiện áp ñặt vào dây quấn sơ cấp, có thể chứng 
minh ñược
max11 2 φpifNVm = hay max11 44,4 φfNV =
25Bài giảng 2
Một số hình ảnh
ðiều khiển
Công suất nhỏ 3 pha nhỏ
Loại khô
10 kV, ngâm dầu
110 kV, ngâm dầu
500 kV, ngâm dầu
26Bài giảng 2

 Vd. 3.8: Cho biết N1, N2, tiết diện lõi, chiều dài trung bình lõi, ñường 
cong B-H, và ñiện áp ñặt vào. Tìm từ cảm cực ñại, và dòng ñiện từ hóa 
cần thiết.
Ví dụ tại lớp
max11 44,4 φfNV = với 200 Hz, 60 V, 230 11 === NfV
 Wb1032,4
2006044,4
230 3
max
−×=
××
=φVậy,
2
3
 Wb/m864,0
005,0
1032,4
=
×
=
−
mBDo ñó,
Cần có , giá trị ñỉnh của dòng ñiện từ
hóa là (259)(0,5)/200 = 0,6475 A. Vậy, Irms = 0,46 A là dòng ñiện từ hóa 
phía sơ cấp.
A/m 259300864,0 =×=mH
27Bài giảng 2

 Xét một MBA với từ thông rò và ñiện trở dây quấn. Mạch tương ñương 
rút trực tiếp từ mô hình vật lý là ñơn giản nhưng không có ích lắm. Các 
phương trình phía thứ cấp ñược nhân với a (= N1/N2) và i2 ñược thay thế
bởi i2/a, ñể rút ra một mạch tương ñương có ích hơn.
Mạch tương ñương của MBA với mạch từ tuyến tính
RL
N1:N2
+
–
+
–
i1 i2
v1 v2 a
2RL
a2R2
aM
i1 i2/a
R1 L1 – aM a
2L2 – aM
v1 av2
–
+
–
+

 L1 – aM ñược gọi là ñiện kháng tản của dây quấn 1, a2L2 – aM ñược gọi là
ñiện kháng tản “quy ñổi” của dây quấn 2. aM là ñiện kháng từ hóa, và dòng ñiện 
ñi cùng với nó ñược gọi là dòng ñiện từ hóa.
28Bài giảng 2

 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 ñược gọi 
là tổn hao (lõi) thép. Một ñiện trở có thể ñược mắc song song với ñiện kháng từ
hóa aM ñể kể ñến các tổn hao này.
Mạch tương ñương của MBA với mạch từ tuyến tính (tt)
RL
Ideal
N1:N2
+
–
+
–
i1 i2
v1 v2
+
–
av2
R1 L1 – aM
Rc1 (aM)1
a2R2 a
2L2 – aM

 Tải thực RL và ñiện áp/dòng ñiện ñi cùng với nó có thể có ñược bằng 
cách quy ñổi ngược về phía thứ cấp, qua một MBA lý tưởng.
29Bài giảng 2

 Khi vận hành xác lập, các trở kháng và vectơ pha có thể ñược dùng 
trong mạch tương ñương.
Máy biến áp vận hành xác lập hình sin
ZL
Ideal
N1:N2
+
–
+
–
+
–
R1 jxl1
Rc1 jXm1
a2R2 ja
2x
l2
với 
1I
2I
2V1V 2Va
aI 2
( )
( )
( )
( ) ==−
==−
==
==−
2
2
2
2
22
1
11
l
l
m
l
xaaMLa
xaML
XaM
xaML
ω
ω
ω
ω ðiện kháng tản của dây quấn 1
ðiện kháng từ hóa quy ñổi về dây quấn 1
ðiện kháng tản của dây quấn 2
ðiện kháng tản của d/quấn 2 quy ñổi về d/quấn 1
30Bài giảng 2

 Tất cả các ñại lượng có thể ñược quy ñổi về dây quấn 1
Máy biến áp vận hành xác lập hình sin (tt)
a2ZL
+
–
+
–
R1 jxl1
Rc1 jXm1
a2R2 ja
2x
l2
1I
1V 2Va
aI 2
ZL
+
–
+
–
R1/a2 jxl1/a
2
Rc1/a2 jXm1/a2
R2 jxl2
1Ia
aV1 2V
2I

 Hoặc có thể quy ñổi về dây quấn 2
31Bài giảng 2

 Nhánh từ hóa khiến việc tính toán khá khó khăn, do ñó nhánh này 
ñược chuyển lên phía ñầu dây quấn 1, tạo thành một mạch tương 
ñương gần ñúng, với sai số không ñáng kể.
Mạch tương ñương gần ñúng
R1
1I+
–
Rc1 jXm11V a2ZL
+
–
jx
l1 a2R2 ja
2x
l2
2Va
aI2
R1eq
1I+
–
Rc1 jXm11V a2ZL
+
–
jx1eq
2Va
aI2
2
2
11
2
2
11
lleq
eq
xaxx
RaRR
+=
+=
32Bài giảng 2

 Các thông số trong mạch tương ñương có thể ñược xác ñịnh nhờ hai 
thí nghiệm ñơn giản: thí nghiệm hở mạch and thí nghiệm ngắn mạch.

 Trong các MBA công suất, các dây quấn còn ñược gọi là dây quấn 
cao áp (HV) và dây quấn hạ áp (LV).
Thí nghiệm hở mạch và ngắn mạch của MBA
A
V
W
ocV
LV HV
Thí nghiệm hở mạch
ocV
Rc Xm
RI XI
ocI
Mạch tương ñương
33Bài giảng 2

 Thí nghiệm ñược thực hiện với tất cả dụng cụ ño ở phía hạ áp còn 
phía cao áp ñược hở mạch. ðặt ñiện áp ñịnh mức vào phía hạ áp. ðo 
ñược Voc, Ioc, và Poc bằng các dụng cụ ño.
Thí nghiệm hở mạch
oc
oc
c P
V
R
2
=
c
oc
R R
V
I = XRoc III +=
Vậy, 22 RocX III −=
X
oc
m I
V
X =

 Rc và Xm là các giá trị quy ñổi về phía hạ áp.
ocV
Rc Xm
RI XI
ocI
34Bài giảng 2

 Tất cả dụng cụ ño nằm ở phía cao áp. Cấp dòng ñiện ñịnh mức vào 
phía cao áp. ðo ñược Vsc, Isc, và Psc bằng các dụng cụ ño.
Thí nghiệm ngắn mạch

 Req và Xeq ñược quy ñổi về phía cao áp.
A
V
W
scV
HV LV
Req Xeq
scV
scI
2
sc
sc
eq I
P
R =
sc
sc
eq I
V
Z = 22
eqeqeq RZX −=
35Bài giảng 2

 Vd. 3.9: Cho biết các giá trị ño ñạc từ thí nghiệm hở mạch và ngắn 
mạch. Tìm các thông số mạch tương ñương quy về phía cao áp.
Từ thí nghiệm hở mạch
Ví dụ tại lớp
Từ thí nghiệm ngắn mạch
( ) Ω== 968
50
220 2
cR A 227,0968
220
==RI
( ) A 974,0227,01 22 =−=XI Ω== 9,225974,0
220
mX
( ) Ω== 2076,017
60
2eqR Ω== 882,017
15
eqZ
Ω=−= 8576,02076,0882,0 22eqX
36Bài giảng 2

 Hiệu suất ñược ñịnh nghĩa là tỷ số giữa công suất ra và công suất vào.
Hiệu suất và ñộ ổn ñịnh ñiện áp

 ðộ ổn ñịnh ñiện áp ñược ñịnh nghĩa là
%100%100 ×
++
=×
+
==
icout
out
out
out
in
out
PPP
P
lossesP
P
P
Pη
Các tổn hao (losses) bao gồm tổn hao ñồng Pc và tổn hao sắt (thép) Pi.

 Cách khác, nếu ñã biết công suất vào,
%100×−−=
in
icin
P
PPPη
%100%
load
loadload no ×
−
=∆
V
VVV
Vno load – ñiện áp không tải
Vload – ñiện áp khi có tải