Bài giảng Biến đổi năng lượng - Lecture 4 - Hồ Phạm Duy Ánh

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 viễn 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
N1 N2
i1 i2
v2v1
+
–
+
–
( )
dt
dNtv φ11 = ( ) dt
dNtv φ22 = ⇒ ( )( ) aN
N
tv
tv ==
2
1
2
1
Ta gọi a là tỉ số dây quấn. 
¾ Sức từ động tổng mmf được tính bởi 02211 ==+= φRiNiNmmf
⇒ ( )( ) aN
N
ti
ti 1
1
2
2
1 −=−=
4Lecture 4
¾ Ta suy ra với MBA Lý Tưởng
Ideal
N1:N2
+
–
+
–
i1 i2
v1 v2
Ideal
N1:N2
+
–
+
–
i1 i2
v1 v2
aN
N
i
ia
N
N
v
v 1
1
2
2
1
2
1
2
1 −=−===
aN
N
i
ia
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 −=−=−== ⇒ 212221 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
RL
Ideal
N1:N2
+
–
+
–
i1 i2
v1 v2
LRi
v =
2
2
avv 12 = 12 aii =
LL RN
NRa
i
v
2
1
22
1
1 ⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛==
¾ Kết quả trên dễ dàng được mở rộng với tổng trỡ phức
LL ZaZN
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 đó tối ưu hóa công suất truyền tải.
¾ MBA lý tưởng đặt giữa nguồn (có tổng trở Zo) và tải (có tổng trở ZL). Tỉ
lệ dây quấn vì thế nên được chọn sao cho
Tính tương hợp trở kháng
( ) Lo ZNNZ 221≈
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 tải 4 Ω nối với R và qui về sơ cấp bằng (R + 4(2)2)(2)2. Nhằm tối 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 N1 vòng nối 
với nguồn, cuộn thứ “Secondary” gồm N2
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 v1(t) = Vm1cosωt là điện áp cung cấp cho dây quấn sơ cấp, ta có
quan hệ
max11 2 φπfNVm = hay max11 44.4 φfNV =
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 N1, N2, 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 φfNV = với 200 Hz, 60 V, 230 11 === NfV
 webers1032.4
2006044.4
230 3
max
−×=××=φVì thế,
2
3
 webers/m864.0
005.0
1032.4 =×=
−
mBSuy ra,
Như vậy ta có , suy ra giá trị max của 
dòng từ hóa bằng (259)(0.5)/200 = 0.6475 A. Tức, Irms = 0.46 A là dòng 
từ hóa cần cung cấp phía sơ cấp.
At/m 259300864.0 =×=mH
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 (= N1/N2) .Từ 
đó i2 được thay bởi i2/a, ta có được mạch tương đương chính xác qui về sơ cấp.
RL
N1:N2
+
–
+
–
i1 i2
v1 v2 a
2RL
a2R2
aM
i1 i2/a
R1 L1 – aM a
2L2 – aM
v1 av2
–
+
–
+
¾ (L1 – aM) dùng thể hiện điện kháng rò của dây quấn sơ, a2L2 – aM dùng 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 Bm. Thể hiện qua trở Rc1 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.)
RL
Ideal
N1:N2
+
–
+
–
i1 i2
v1 v2
+
–
av2
R1 L1 – aM
Rc1 (aM)1
a2R2 a
2L2 – aM
¾ Giá trị thực của dòng và áp qua tải RL 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.
ZL
Ideal
N1:N2
+
–
+
–
+
–
R1
jxl1
Rc1 jXm1
a2R2
ja2xl2
Trong đó
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 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.)
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
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
R1
1I+
–
Rc1 jXm11V a
2ZL
+
–
jxl1 a2R2
ja2xl2
2Va
aI2
R1eq
1I+
–
Rc1 jXm11V a
2ZL
+
–
jx1eq
2Va
aI2
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
ocV
LV HV
TN Không Tải
ocV
Rc Xm
RI XI
ocI
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 Voc, Ioc, và Poc được thu thập khi 
tiến hành TN.
oc
oc
c P
VR
2
=
c
oc
R R
V
I = XRoc III +=
Từ đó, 22 RocX III −=
X
oc
m I
VX =
¾ Rc và Xm thể hiện trên mạch tương đương được qui về sơ cấp (HV) MBA.
ocV
Rc Xm
RI XI
ocI
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 Vsc, Isc, và Psc được thu thập.
Thí Nghiệm Ngắn Mạch (TNNM)
¾ Req và Xeq thể hiện trên mạch tương đương qui về sơ cấp (HV) MBA.
A
V
W
scV
HV LV
Req Xeq
scV
scI
2
sc
sc
eq I
PR =
sc
sc
eq I
VZ = 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
cR A 227.0968
220 ==RI
( ) A 974.0227.01 22 =−=XI Ω== 9.225974.0
220
mX
( ) Ω== 2076.017
60
2eqR
Ω== 882.0
17
15
eqZ
Ω=−= 8576.02076.0882.0 22eqX
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
Pη
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
PPPη
%100regulation voltage%
load
loadload no ×−=
V
VV
20Lecture 4
¾ Giải BT 3.22 and 3.23.
BT Trong Lớp