Tài liệu hướng dẫn Thí nghiệm môn Máy điện - Bài 3: Mô phỏng máy biến áp một pha

vấn đề cơ bản của máy biến áp một pha (MBA1P) lý tưởng 
và MBA1P có xét bão hòa từ. Đồng thời giúp sinh viên xây dựng các đặc tuyến cơ bản của một 
máy biến áp trên cơ sở mô phỏng bằng phần mềm MATLAB sử dụng công cụ Simulink. 
II. MÔ HÌNH MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 
Mạch tương đương MBA1P: 
Hình 3.1 – Sơ đồ tương đương thay thế máy biến áp một pha 
Tuy nhiên với mạch tương đương vẫn còn chưa cho phép phân tích nhiều trường hợp 
thực tế như: mạch ba pha không cân bằng hay mạch từ bị bão hòa. 
1. Máy biến áp một pha lý tưởng: 
Xét mạch tương đương MBA1P lý tưởng như sau: 
Hình 3.2 – Sơ đồ tương đương thay thế máy biến áp một pha 
a2ZL 
+ 
– 
+ 
– 
R1 
jxl1 
Rc1 jXm1 
a2R2 
ja2xl2 
i1 i’2/a 
v1 v’2 
Fig. 1-1 
Mô phỏng máy biến áp một pha 
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 
Tài liệu hướng dẫn Thí nghiệm máy điện Trang 2/8 
Phương trình điện áp và từ thông trong mạch: 
1
1 1 1
1
b
d
v i r
dt


  (1) 
'
' ' ' 2
2 2 2
1
b
d
v i r
dt


  (2) 
1 1 1 1b l mx i      (3) 
' ' ' '
2 2 2 2b l mx i      (4) 
' '
1 1 2 1 1 2( ) ( )m b m mL i i x i i     (5) 
Từ phương trình (3), (4) suy ra: 1
1
1
m
l
i
x
 
 
'
' 2
2 ,
2
m
l
i
x
 
 
Lúc này: 
'
1 2
'
1 2
( )m M
l l
x
x x
 
   với 
'
1 1 2
1 1 1 1
M m l lx x x x
   
Từ thông 1 và 
'
2 được tính: 
Vậy hệ phương trình mô tả MBA1P lý tưởng: 
1
1
1
m
l
i
x
 
 (6) 
'
' 2
2 ,
2
m
l
i
x
 
 (7) 
'
1 2
'
1 2
( )m M
l l
x
x x
 
   (8) 
 (9) 
 (10) 
2. Máy biến áp một pha có xét bão hòa 
Trên thực tế, do bão hòa mạch từ và từ trễ, nên dòng điện i trong lúc khởi động máy biến 
áp có sự khác biệt và ảnh hưởng nhiều đến hệ thống. Do đó ta phải xét kết hợp hiệu ứng bão hòa 
từ vào trong mô hình mô phỏng MBA1P. 
Một số phương pháp được dùng để kết hợp hiệu ứng bão hòa từ vào mô hình mô phỏng: 
 Dùng giá trị hỗ cảm bão hòa thích hợp ở mỗi bước thời gian. 
 Xấp xỉ dòng từ hóa bằng hàm giải tích của từ thông móc vòng bão hòa 
 Dùng quan hệ giữa các giá trị bão hòa và không bão hòa của từ thông móc vòng tương 
hỗ. 
1
1 1 1
1
b b
l
v r dt
x
 
  
   
   
   

2
2 2 2
2
b b
l
v r dt
x
 
  
    
     
   

1
1 1 1
1
m
b b
l
v r dt
x
 
  
   
   
   

2
2 2 2
2
m
b b
l
v r dt
x
 
  
    
     
   

Mô phỏng máy biến áp một pha 
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 
Tài liệu hướng dẫn Thí nghiệm máy điện Trang 3/8 
Hình 3.3 – Cách tính  
Hệ phương trình mô tả MBA1P có xét bão hòa như sau: 
1
1
1
sat
m
l
i
x
 
 (11) 
'
' 2
2 ,
2
sat
m
l
i
x
 
 (12) 
'
1 2
'
1 2 1
( )satm M unsat
l l m
x
x x x
  


   (13) 
 (14) 
 (15) 
Trong đó: unsat sat
m m    và '
1 1 2
1 1 1 1
unsat
M m l lx x x x
  
III. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG MBA MỘT PHA BẰNG MATLAB/ 
SIMULINK 
1. Mô phỏng MBA1P lý tưởng: 
Mô hình có ngõ vào là các điện áp sơ cấp, ngõ ra là các dòng điện sơ và thứ cấp, biến trung 
gian là các từ thông, trong các hệ vật lý, điện áp sơ cấp thường là yếu tố biết trước. 
1
1 1 1
1
sat
m
b b
l
v r dt
x
 
  
   
   
   

2
2 2 2
2
sat
m
b b
l
v r dt
x
 
  
    
     
   

Mô phỏng máy biến áp một pha 
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 
Tài liệu hướng dẫn Thí nghiệm máy điện Trang 4/8 
Hình 3.4 – Mô hình mô phỏng máy biến áp một pha lý tưởng sử dụng Simulink 
Khối Load: 
Hình 3.5 – Khối load 
Xây dựng m_File chứa thông số của mô hình mô phỏng: 
clear all % clear workspace 
Vrated = 120; % rms rated voltage 
Srated = 1500; % rated VA 
Frated = 50; % rated frequency in Hz 
Zb = Vrated^2/Srated; % base impedance on primary side 
wb = 2*pi*Frated; % base frequency 
Vpk = Vrated*sqrt(2); % peak rated voltage 
NpbyNs = 120/240; % nominal turns ratio 
r1 = 0.25; % resistance of wdg 1 in ohms 
rp2 = 0.134; % referred resistance of wdg 2 in ohms 
xl1 = 0.056; % leakage reactance of wdg 1 in ohms 
xpl2 = 0.056; % leakage reactance of wdg 1 in ohms 
xm = 708.8; % unsaturated magnetizing reactance(ohms) 
xM = 1/(1/xm + 1/xl1 + 1/xpl2); 
RH = 960; % load (ohm) 
Mô phỏng máy biến áp một pha 
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 
Tài liệu hướng dẫn Thí nghiệm máy điện Trang 5/8 
Bảng thiết lập thông số mô phỏng: 
Hình 3.6 – Thiết lập thông số trước khi mô phỏng máy biến áp một pha 
Bảng Look – Up Table: 
Hình 3.7 – Khối Look – Up Table 
Mô phỏng máy biến áp một pha 
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 
Tài liệu hướng dẫn Thí nghiệm máy điện Trang 6/8 
2. Mô phỏng MBA1P có xét bảo hòa: 
Tiến hành tương tự như máy biến áp lý tưởng, ta được mô hình như sau: 
Hình 3.8 – Mô hình mô phỏng máy biến áp một pha có xét bão hòa 
Xây dựng m_File chứa thông số của mô hình mô phỏng: tương tự MBA1P lý tưởng, nhưng ta 
thêm vào phần bão hòa: 
% mag. curve Dpsi versus psisat 
Dpsi=[ -2454.6 -2412.6 -2370.5 -2328.5 -2286.4 -2244.4 -2202.3 ... 
-2160.3 -2118.2 -2076.1 -2034.1 -1992.0 -1950.0 -1907.9 -1865.9 ... 
-1823.8 -1781.8 -1739.7 -1697.7 -1655.6 -1613.6 -1571.5 -1529.5 ... 
-1487.4 -1445.3 -1403.3 -1361.2 -1319.2 -1277.1 -1235.1 -1193.0 ... 
-1151.0 -1108.9 -1066.9 -1024.8 -982.76 -940.71 -898.65 -856.60 ... 
-814.55 -772.49 -730.44 -688.39 -646.43 -604.66 -562.89 -521.30 ... 
-479.53 -438.14 -396.75 -355.35 -313.96 -272.56 -231.17 -192.60 ... 
-154.04 -116.41 -81.619 -46.822 -19.566 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 ... 
0.0000 0.0000 19.566 46.822 81.619 116.41 154.04 192.60 231.17 ... 
272.56 313.96 355.35 396.75 438.14 479.53 521.30 562.89 604.66 ... 
646.43 688.39 730.44 772.49 814.55 856.60 898.65 940.71 982.76 ... 
1024.8 1066.9 1108.9 1151.0 1193.0 1235.1 1277.1 1319.2 1361.2 ... 
1403.3 1445.3 1487.4 1529.5 1571.5 1613.6 1655.6 1697.7 1739.7 ... 
1781.8 1823.8 1865.9 1907.9 1950.0 1992.0 2034.1 2076.1 2118.2 ... 
2160.3 2202.3 2244.4 2286.4 2328.5 2370.5 2412.6 2454.6 ]; 
Mô phỏng máy biến áp một pha 
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 
Tài liệu hướng dẫn Thí nghiệm máy điện Trang 7/8 
IV. YÊU CẦU THÍ NGHIỆM 
 Xây dựng 2 mô hình máy biến áp lý tưởng và máy biến áp có xét bão hòa trên máy tính. 
ỨNG VỚI MỖI MÔ HÌNH MBA, THỰC HIỆN YÊU CẦU SAU: 
 Vẽ đồ thị dòng điện i1, i2’ trong các trường hợp sau: 
o Hở mạch thứ cấp: 
 Điện áp v1 bằng giá trị đỉnh tại t = 0. 
 Điện áp v1 bằng giá trị 0 tại t = 0. 
o Ngắn mạch thứ cấp (cấp vào điện áp sao cho dòng điện thứ cấp đạt giá trị định mức) 
 Điện áp v1 bằng giá trị đỉnh tại t = 0. 
 Điện áp v1 bằng giá trị 0 tại t = 0. 
o MBA hoạt động có tải (tại điện áp sơ cấp là định mức) 
 Tải quy đổi RH = 9.6. 
 Tải quy đổi RH = 24. 
 So sánh giữa mô hình lý tưởng và có xét bão hòa, cho nhận xét về dòng điện sơ cấp i1 
trong các trường hợp không tải và tải định mức. 
 Vẽ đồ thị điện áp '
2v trong trường hợp MBA hoạt động có tải. 
 Vẽ đồ thị từ thông hoạt động của MBA. 
 Xây dựng đặc tuyến ngắn mạch của MBA1P có xét bão hòa: đặc tuyến I2n = f(U1n) 
 Xây dựng đặc tuyến tải của MBA1P có xét bão hòa: đặc tuyến U2 = f(I2) 
psisat=[ -170.21 -169.93 -169.65 -169.36 -169.08 -168.80 -168.52 
... 
-168.23 -167.95 -167.67 -167.38 -167.10 -166.82 -166.54 -166.25 ... 
-165.97 -165.69 -165.40 -165.12 -164.84 -164.56 -164.27 -163.99 ... 
-163.71 -163.43 -163.14 -162.86 -162.58 -162.29 -162.01 -161.73 ... 
-161.45 -161.16 -160.88 -160.60 -160.32 -160.03 -159.75 -159.47 ... 
-159.18 -158.90 -158.62 -158.34 -157.96 -157.39 -156.83 -156.07 ... 
-155.51 -154.57 -153.62 -152.68 -151.74 -150.80 -149.85 -146.08 ... 
-142.31 -137.60 -130.06 -122.52 -107.44 -84.672 -42.336 0.0000 ... 
0.0000 42.336 84.672 107.44 122.52 130.06 137.60 142.31 146.08 ... 
149.85 150.80 151.74 152.68 153.62 154.57 155.51 156.07 156.83 ... 
157.39 157.96 158.34 158.62 158.90 159.18 159.47 159.75 160.03 ... 
160.32 160.60 160.88 161.16 161.45 161.73 162.01 162.29 162.58 ... 
162.86 163.14 163.43 163.71 163.99 164.27 164.56 164.84 165.12 ... 
165.40 165.69 165.97 166.25 166.54 166.82 167.10 167.38 167.67 ... 
167.95 168.23 168.52 168.80 169.08 169.36 169.65 169.93 170.21 ]; 
Mô phỏng máy biến áp một pha 
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 
Tài liệu hướng dẫn Thí nghiệm máy điện Trang 8/8 
Ký hiệu: U1n: điện áp phía sơ cấp khi MBA hoạt động ở ngắn mạch 
 I2n: dòng điện thứ cấp MBA khi ngắn mạch 
 U2, I2: điện áp và dòng điện phía thứ cấp của MBA 
V. NỘP BÁO CÁO: 
 Báo cáo nộp trễ nhất 1 tuần sau khi kết thúc TN, bao gồm bản cứng (theo mẫu báo cáo) 
nộp ở PTN và bản mềm nộp trên BKeL. Bản mềm bao gồm các File sau: 
o File báo cáo thí nghiệm (theo mẫu). 
o File MATLAB: File mô hình (*.mdl), file thông số, code (*.m), file hình 
ảnh (*.fig) 
 Báo cáo ghi rõ Họ tên, MSSV, Nhóm, Tổ, ngày thực hiện bài thí nghiệm 
 Các kết quả đo và kết quả thí nghiệm phải được trình bày rõ ràng, ngắn gọn và đầy đủ các 
yêu cầu theo bài hướng dẫn báo cáo thí nghiệm. 
 GV có quyền cho điểm 0 những báo cáo như sau: 
o Những bài sao chép lẫn nhau dưới mọi hình thức. 
o Số liệu báo cáo không trùng khớp với số liệu trên bảng thu thập số liệu của SV. 
o Không ghi thông tin của sinh viên (Tên, MSSV, nhóm, buổi thí nghiệm).