Bài giảng Biến đổi năng lượng điện cơ - Bài giảng 2 - Nguyễn Quang Nam

àng trăm W đến hàng trăm MW.
Máy biến áp – Giới thiệu
30Bài giảng 2

 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.
Máy biến áp – Giới thiệu (tt)
Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013
16
31Bài giảng 2

 Xét một mạch từ có quấn 2 cuộn 
dây như hình vẽ. Bỏ qua các tổn 
hao, điện dung ký sinh, và từ thông 
rò.
Máy biến áp lý tưởng
φ
N1 N2
i1 i2
v2v1
+
–
+
–
( )
dt
d
Ntv
φ
11 = ( )
dt
d
Ntv
φ
22 = ⇒
( )
( )
a
N
N
tv
tv
==
2
1
2
1
a được gọi là tỷ số vòng dây.

 Xem mạch từ có độ thẩm từ vô cùng lớn hay từ trở bằng 0.
32Bài giảng 2
Máy biến áp lý tưởng (tt)

 Sức từ động tổng cho bởi
02211 ==+= φRiNiNmmf
⇒
( )
( ) aN
N
ti
ti 1
1
2
2
1 −=−=
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 −=−===
( ) ( ) ( ) ( ) 02211 =+ titvtitv

 Dẫn đến mô hình toán của MBA như sau
Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013
17
33Bài 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
aN
N
i
i
a
N
N
v
v 1
1
2
2
1
2
1
2
1 ====
( ) ( ) ( ) ( )titvtitv 2211 =
av
v
L
L
i
i
k
1
1
1
2
1
2
2
1 −=−=−== ⇒ 2
12
2
21 NLNL =

 Một mô hình khác sát với hiện tượng vật lý hơn
34Bài giảng 2

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

 Theo định luật Ohm

 Thay và 
Tính chất thay đổi trở kháng của MBA lý tưởng
RL
Ideal
N1:N2
+
–
+
–
i1 i2
v1 v2
LR
i
v
=
2
2
avv 12 = 12 aii =
LL R
N
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 ZaZ
N
N
I
V
N
N
I
V 2
2
1
2
2
2
2
1
2
1
1 =





=





=
Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013
18
35Bài giảng 2

 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
Phối hợp trở kháng
( ) Lo ZNNZ
2
21≈
36Bài giảng 2
Ví dụ minh họa phối hợp trở kháng

 Vd. 3.7: Hai MBA lý tưởng (mỗi máy có tỷ số 2:1) và một 
điện trở R được dùng để cực đại hóa việc truyền công suất. 
Tìm R.
Điện trở tải 4 Ω kết hợp với R được quy đổi về ngõ vào 
thành (R + 4(2)2)(2)2. Để có công suất truyền cực đại, độ 
lớn của tổng trở tải phải bằng với độ lớn của nội trở của 
nguồn tương đương Thevenin, do đó
64410 =+ R ⇒ Ω= 5,13R
Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013
19
37Bài giảng 2

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

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

 Slide tiếp theo cho thấy một số hình ảnh của các máy biến 
áp lực (trừ hình đầu tiên là máy biến áp điều khiển).
38Bài giảng 2
Một số hình ảnh về máy biến áp
Điều khiển
Công suất nhỏ 3 pha nhỏ
Loại khô
10 kV, ngâm dầu
110 kV, ngâm dầu
500 kV, ngâm dầu
Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013
20
39Bài giảng 2
Máy biến áp công suất (tt)

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

 Gọi v1(t) = Vm1cosωt là điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp, 
có thể chứng minh được
max11 2 φπfNVm = hay max11 44,4 φfNV =
40Bài giảng 2

 Vd. 3.8: Cho biết N1, N2, tiết diện lõi, chiều dài trung bình 
lõi, đường cong B-H, và điện áp đặt vào. Tìm từ cảm cực 
đại, và dòng điện 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
−×=
××
=φ
Tính được
Dựa vào công thức vừa nêu
Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013
21
41Bài giảng 2

 Vd. 3.8 (tt):
Ví dụ tại lớp (tt)
2
3
 Wb/m864,0
005,0
1032,4
=
×
=
−
mB
Do đó,
Cần có , giá trị đỉnh của 
dòng điện từ hóa là (259)(0,5)/200 = 0,6475 A. Vậy, Irms = 
0,46 A là giá trị hiệu dụng của dòng điện từ hóa phía sơ cấp.
A/m 259300864,0 =×=mH
42Bài giảng 2

 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.
Mạch tương đương của MBA với mạch từ tuyến tính
RL
N1:N2
+
–
+
–
i1 i2
v1 v2 a
2RL
a2R2
aM
i1 i2/a
R1
L1 – aM a2L2 – aM
v1 av2
–
+
–
+
Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013
22
43Bài giảng 2
Mạch tương đương của MBA với mạch từ tuyến tính

 L1 – aM được gọi là điện kháng tản của dây quấn 1, a2L2 – aM
được gọi là điện kháng tản “quy đổi” của dây quấn 2. aM là điện 
kháng 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.
44Bài giảng 2
Mạch tương đương của MBA với mạch từ tuyến tính (tt)
RL
Ideal
N1:N2
+
–
+
–
i1 i2
v1 v2
+
–
av2
R1
L1 – aM
Rc1 (aM)1
a2R2
a2L2 – aM

 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).

 Khi có xét đến các tổn hao công suất, mạch tương đương 
của MBA như sau
Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013
23
45Bài giảng 2

 Khi vận hành xác lập, các trở kháng và vectơ pha có thể 
được dùng trong mạch tương đương.
Máy biến áp vận hành xác lập hình sin
ZL
Ideal
N1:N2
+
–
+
–
+
–
R1
jxl1
Rc1 jXm1
a2R2
ja2xl2
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 Điện kháng tản của dây quấn 1
Điện kháng từ hóa quy đổi về dây quấn 1
Điện kháng tản của dây quấn 2
Điện kháng tản của d/quấn 2 quy đổi về d/quấn 1
46Bài giảng 2

 Tất cả các đại lượng có thể được quy đổi về dây quấn 1
Máy biến áp vận hành xác lập hình sin (tt)
a2ZL
+
–
+
–
R1
jxl1
Rc1 jXm1
a2R2
ja2xl2
1I
1V 2Va
aI 2
ZL
+
–
+
–
R1/a2
jxl1/a2
Rc1/a2 jXm1/a2
R2
jxl2
1Ia
aV1 2V
2I

 Hoặc có thể quy đổi về dây quấn 2
Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013
24
47Bài giảng 2

 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.
Mạch tương đương gần đúng
R1
1I+
–
Rc1 jXm11V
a2ZL
+
–
jxl1 a2R2
ja2xl2
2Va
aI2
R1eq
1I+
–
Rc1 jXm11V
a2ZL
+
–
jx1eq
2Va
aI2
2
2
11
2
2
11
lleq
eq
xaxx
RaRR
+=
+=
48Bài giảng 2

 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.
Thí nghiệm hở mạch và ngắn mạch của MBA
Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013
25
49Bài giảng 2

 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.
Thí nghiệm hở mạch
A
V
W
ocV
LV HV
Thí nghiệm hở mạch
ocV
Rc Xm
RI XI
ocI
Mạch tương đương
50Bài giảng 2

 Lần lượt tính toán như sau
Thí nghiệm hở mạch (tt)
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 đổi về phía hạ áp.
ocV
Rc Xm
RI XI
ocI
Mạch tương đương
Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013
26
51Bài giảng 2

 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.
Thí nghiệm ngắn mạch

 Req và Xeq được quy đổi 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 −=
52Bài giảng 2

 Vd. 3.9: Cho biết các giá trị đo đạc từ thí nghiệm hở mạch 
và ngắn mạch. Tìm các thông số mạch tương đương quy về 
phía cao áp.
Từ thí nghiệm hở mạch
Ví dụ tại lớp
( )
Ω== 968
50
220
2
cR A 227,0
968
220
==RI
( ) A 974,0227,01 22 =−=XI Ω== 9,225974,0
220
mX
Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013
27
53Bài giảng 2

 Vd. 3.9 (tt):
Ví dụ tại lớp (tt)
Từ thí nghiệm ngắn mạch
( )
Ω== 2076,0
17
60
2eq
R Ω== 882,0
17
15
eqZ
Ω=−= 8576,02076,0882,0 22eqX
54Bài giảng 2

 Hiệu suất được định nghĩa là tỷ số giữa công suất ngõ ra 
và công suất ngõ vào.
Hiệu suất
%100%100 ×
++
=×
+
==
icout
out
out
out
in
out
PPP
P
lossesP
P
P
P
η
Các tổn hao (losses) bao gồm tổn hao đồng Pc và tổn hao 
sắt (thép) Pi.

 Cách khác, nếu đã biết công suất vào,
%100×
−−
=
in
icin
P
PPP
η
Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013
28
55Bài giảng 2
Độ ổn định điện áp

 Độ ổn định điện áp được định nghĩa là
%100%
load
loadload no ×
−
=∆
V
VV
V
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?