Bien-Doi-Nang-Luong-Dien-Co_Nguyen-Xuan-Cuong_Chuong-3_Mach-Tu,-Ho-Cam,-May-Bien-Ap - [Cuuduongthancong.com].Pdf

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3 Hệ số tự cảm/độ tự cảm/điện cảm L L i λ = Dòng điện i chạy qua cuộn dây có N vòng dây Đơn vị của điện cảm: Henry H=Wb/A=T.m2/ADòng điện i chạy trong cuộn dây thay

Trường từ trong Thiết Bị Từ Tỉnh

Từ trường được biểu diễn bằngcác đường từ thông hay đườngsức từ khép kín

Cảm ứng từ B tiếp xúc với đường này

Dùng la bàn có thể biết hướngcủa từ trường tại một điểm bất kỳ

B là hàm phi tuyến của cường độ từ trường H

B = μ H

JG JJG

• Quan hệ B(H)

độ từ thẩm μ= μ(H) phụ thuộc vào cường độ từ trường ngoài H

Æxây dựng các định luật Ohm và định luật Kirchhoff dòng (KCL)

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3

Định luật Ohm

Ni = φR

ÆĐịnh luật Ohm trong mạch từ

φc= BAc: từ thông chạy trong lõi thép

Sức từ động Ni là nguồn sinh ra từ thôngφ

chạy khép kín trong mạch từ có từ trở R

Ni: sức từ động, có thể ký hiệu F

c c

l R A

c c

l R A

μ

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3

Định luật KVLĐịnh luật Ohm Æ Định luật Kirchhoff áp (KVL) đối với mạch từ

Đối với một mạch vòng khép kín trong mạch từ, tổng đại số các từ

áp rơi trên mạch vòng đó và các sức từ động là bằng không

1 i

i 0

Đối với một nút bất kỳ trong mạch từ: tổng đại số các

từ thông đi vào đi ra khỏi nút bằng không

Áp dụng định luật Gauss cho mặt kín S bao

quanh phần giao của ba trụ lõi thép

φb-φa-φc= 0hay φb= φa+ φc

0

S B n da• =

v

Đối với các vật liệu phi từ tính như

đồng, nhôm, vật liệu cách điện,

không khí,… thì μr≈ 1

Khi mạch từ làm việc ở đoạn chưa bảo

hòa Æ có thể tuyến tính hoá đoạn đặc

tính làm việc: μr≈ const

Tuyến tính hóa từng đoạn

Æ chính xác hơn

H H

từ hay độ từ thẩm chân không

Khi từ trường ngoài tác động là từ trường 1 chiều

5

B s

vòng từ trễ

Dòng điện từ hóa

Tổn hao từ trễ (hysteresis loss):

Ma sát nội tại giữa các vùng con khi bịxoay theo chiều tác động của từ trường ngoài Æ tổn hao từ trễ.

Tổn hao do từ trễ tăng theo diện tích vòng

từ trễ và tần số từ trường ngoài

14

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3

Tổn hao trong vật liệu sắt từ

Tổn hao dòng xoáy (eddy current loss)

c g g c c g

H Ni

0

0 μ μ

=+

=

Tiết diện Ac

lc

lgTiết diện Ag

lgKhi không thỏa điều kiện trên, tồn tại từ thông tản

Nghĩa là trong khe hở không khí, từ thông đi qua tiết diện thực tếAglớn hơn tiết diện bề mặt cực từ

Một công thức kinh nghiệm

ÆAg> Ac

0

g g g

l R A

μ

=

Từ trở khe hở không khí

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3

Sự tương tự giữa mạch từ và mạch điện

E I R

=

c c

F R

φ =

Mạch điện Mạch từ

V A Ω 1/Ω Ω V

E I R G Z U

Sức điện động Dòng điện Điện trở Điện dẫn Tổng trở Điện áp

A vòng Wb 1/H H 1/H

A vòng

F φ

Từ áp

Thứ nguyên

Ký hiệu Đại lượng

Thứ nguyên

Ký hiệu Đại lượng

MẠCH ĐIỆN MẠCH TỪ

Sự tương tự giữa mạch từ và mạch điện

18

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3

Ví dụ

Ví dụ 3.1: tìm sức từ động cần thiết đểsinh ra mật độ từ thông 1 T trong khe hởkhông khí Cho lg=2 mm, Ac=200 mm2,

A l R A

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3

Ví dụ (tt)

Ví dụ 3.2: Tìm từ thông qua các cuộn dây

Xem độ từ thẩm lõi thép là vô cùng và bỏqua từ thông tản Lõi thép và khe hở không khí có cùng tiết diện 4 cm2, g=0,1 cm

Áp dụng KVL giữa 2 điểm a và b, KCL choφ1,

3.3 Hỗ cảm

3.4 Máy biến áp

•Các phương trình mô tả và mạch điện tương đương

•Hiệu suất và độ sụt áp

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3

Hệ số tự cảm/độ tự cảm/điện cảm L

L i

λ

=

Dòng điện i chạy qua cuộn dây có N vòng dây

Đơn vị của điện cảm: Henry (H)=Wb/A=T.m2/ADòng điện i chạy trong cuộn dây thay đổi theo thờigian Æ từ thông biến thiên móc vòng qua cuộndây Æ điện áp cảm ứng trong cuộn dây theo địnhluật cảm ứng điện từ Faraday:

Æhệ số tự cảm hay độ tự cảm hay điện cảm

Nếu xem quan hệ λ(i) tuyến tính

N i H

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3

21 1

11 φ φ

φ = l +

1 N1 11 L i1 1

λ = φ =

Xét 2 cuộn dây N 1 và N 2 quấn trên cùng một mạch từ

Cuộn dây N1đấu vào nguồn điện, cuộn dây N2để hở mạch

Φ21: từ thông chính, do i1chạy trong

N1sinh ra và móc vòng qua cả 2 cuộn dây

Φl1: từ thông rò chỉ móc vòng qua cuộn dây N1, do std i1N1sinh ra

Tổng từ thông đi xuyên qua N1

=

L 1 điện cảm cuộn dây N 1

Điện áp cảm ứng trong N1 do Φ11 móc vòng qua chính nó

Φ21 móc vòng qua N2ÆĐiện áp cảm ứng trong N2

21 1

Φl2: từ thông rò chỉ móc vòng qua cuộn dây N2, do std i2N2sinh ra

Tổng từ thông đi xuyên qua N2

Bằng cách khảo sát năng lượng tự cảm và hỗ cảm, hoặc tính hỗ cảm

Ta cóghép lý tưởng, toàn bộ từ thôngmóc vòng cuộn dây này thì đều mócvòng qua cuộn dây kia.

2

1L L

M

k=

2 1

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3

Ghép hỗ cảmTăng mức độ ghép hỗ cảmBằng cách quấn các cuộn dây trên cùng một lõi sắt từ

1 =R φ −φ +Rφ

i N

( 1 2)

3 2 2 2

2i =Rφ −R φ −φ

N

2 1

100i = φ − φ ×

2 1

Điện áp cảm ứng bởi từ thông biến thiên có chiều sao cho dòng điện

do nó sinh ra tạo ra từ thông chống lại từ thông biến thiên này

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3

Cực tính các cuộn dây

Từ định luật Lenz Æ khi đấu nối những cuộn dây có từ thông móc

vòng lẫn nhau, cần quan tâm đến các cực cùng tên (đầu đầu và đầu

cuối cuộn dây), nghĩa là cần quan tâm đến cực tính của cuộn dây

• Đấu các cuộn dây cùng cực tính:

Æ sđđ cảm ứng trong các cuộn dây có cùng pha

• Đấu các cuộn dây ngược cực tính:

Æ sđđ cảm ứng trong các cuộn dây ngược pha

Cực tính của cuộn dây liên quan đến góc lệch pha giữa các sđđ cảm ứng và sđđ hỗ cảm giữa các cuộn dây:

36

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3

Cực tính các cuộn dây

Trường hợp cho sẵn các cực tính trên sơ đồ mạch điện

Æviết các phương trình cân bằng điện áp

ký hiệu đầu đầu và đầu cuối

Ví dụ: Hai cuộn dây quấn trên cùng 1 trụ và quấn ngược chiều

Sđđ tự cảm và sđđ hỗ cảm trên dây quấn kia là ngược pha, ie khác

ký hiệu đầu đầu và đầu cuối

di L R i

1 1 1

dt

di M dt

di L R i

2 2 2

Dùng nguồn 1 chiều kích thích 2 đầu dây của cuộn dây 1

2 đầu cuộn dây thứ hai đầu vào Vôn kế

Những đầu cùng ứng với cực dương của nguồn và chiềutăng dương của Vôn kế là cùng cực tính, hoặc ngược lại

1

w =

Năng lượng tích trữ trong một cuộn dây

2 1 2

2 2 2

1

2

1 i L 2

1

Năng lượng tích trữ trong hai cuộn dây ghép hỗ cảm:

Dấu cộng: khi cả hai dòng điện cùng đi vào hay đi ra khỏi cực tính

Dấu trừ: khi có một dòng điện đi vào và một dòng điện đi ra khỏi cực tính

Đơn vị: Joule

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3

Ví dụ

Vd 3.6: Viết các phương trình mạch vòng cho mạch điện sau:

Giả sử điện áp ban đầu của tụ bằng 0

∫

( ) ( )

3.4 Máy biến áp

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3

Giới thiệu chungMáy biến áp (MBA) truyền tải năng lượng điện từ cuộn dây nàysang cuộn dây kia thông qua từ trường biến thiên theo thời gian

• Cuộn dây cảm ứng từ thông móc vòng củadây quấn sơ cấp gọi là dây quấn thứ cấp (đấu vào tải)

• Cuộn dây đấu vào nguồn điện gọi làcuộn dây hay dây quấn sơ cấp

Ký hiệu máy biến áp trong các sơ đồ điện:

ZL+ –

+ –

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3

MBA lực

Hình ảnh

Máy biến áp 3 pha

Máy biến áp 1 phadùng trong thiết bị điện tửMBA lực gồm hai (hay nhiều hơn) cuộn dây quấn trên cùng một lõi mạch từ để giảm từ thông rò

Theo định luật cảm ứng điện từ, điện áp trên 2 đầu dây quấn:

(khi bỏ qua điện trở cuộn dây và từ thông rò)

‰ Trong thực tế μ≠∞Æ Rc≠0 Æ N1i1+N2i2≠0

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3

MBA lý tưởng – các quan hệ áp và dòng

ÆĐối với MBA lý tưởng, có thể chứng minh ([1] trang 73):

N i

i a N

N v

1 2 2 1 2

1 2

1 = = =− =−

a N

N i

i a N

N v

1 2 2 1 2

1 2

Ý nghĩa: MBA không tích trữ năng lượng, năng lượng nhận được từ

nguồn điện được chuyển hết thành năng lượng sử dụng trên tải

+ –

DoSuy ra tổng trở nhìn từ cuộn dây sơ cấp

Tính chất biến đổi tổng trở của MBA: ZLÆa2ZL

ZL

a2ZL

Dùng tính chất biến đổi tổng trở của MBA Æ phối hợp tổng trở

Æcực đại hóa năng lượng cung cấp cho tải từ nguồn điện

ÆChọn tỷ số biến áp sao cho:

* 0

⇒ R=9 Ω(R + 4(2)2)(2)2=4R+64=100

4Ω 2:1

=

Từ định luật cảm ứng điện từ Faraday

Chuyển các phương trình vi phân Æ dạng số phức Æ các giá trị hiệu

max 1

1 4.44fNφ

V =

3 max

• Khi MBA hoạt động không tải:

• Khi MBA hoạt động có tải:

Phương trình cân bằng điện áp trong dây quấn sơ cấp và thứ cấp:

Xét MBA khi không bỏ qua từ thông rò và điện trở dây quấn sơ cấp và

Biến đổi tương đương hệ phương trình

N N

a =

↔ Mạch điện thay thế tương đương

điện cảm rò của cuộn dây 1

điện cảm rò cuộn dây 2 quy đổi của vềcuộn dây 1

điện cảm từ hóa, có dòng từ hóa chạy qua, ie dòng điện cần thiết để tạo ra từ thông

2 2

(a L aM) a X l

điện kháng rò của cuộn dây 1

điện kháng rò cuộn dây 2 quy đổi của về cuộn dây 1 điện kháng từ hóa quy đổi về cuộn dây 1

tổng trở tải quy đổi của về cuộn dây 1

a2R2

R1 điện trở cuộn dây 1

điện trở cuộn dây 2 quy đổi của về cuộn dây 1

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3

Mạch điện thay thế xét đến tổn hao trong lõi thép

Nếu cần xét đến tổn hao do từ trễ và dòng xoáy trong lõi thép

Æđấu thêm điện trở Rc1song song với nhánh từ hóa aM

Do Rc1và aM ở về phía cuộn dây sơ cấp, nghĩa là quy đổi máy biến

áp về phía cuộn dây sơ cấp hay cuộn dây 1 Æ có chỉ số (1)

• Các giá trị trở, kháng, tổng trở tải trên cuộn dây thứ cấp được quy đổi

về dây quấn sơ cấp qua hệ số a2

• Điện áp dây quấn thứ cấp quy đổi về dây quấn sơ cấp qua hệ số a

• Dòng điện dây quấn thứ cấp quy đổi về dây quấn sơ cấp qua hệ số 1/a

ie Bảo đảm năng lượng/công suất không bị thay đổi khi quy đổi.

Mạch điện thay thế MBA

Để có các giá trị thực trên tổng trở tải Æ dùng thêm MBA lý tưởng

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3

Quy đổi MBA ngược lại, từ sơ cấp Æ thứ cấp

Ta đã quy đổi MBA từthứ cấp (2) về sơ cấp (1)

Có thể quy đổi ngược lại, từ sơ cấp (1) về thứ cấp (2)

Sơ đồ thay thế gần đúng MBA

Do Rc1và Xm1lớn (đặc biệt đối với MBA công suất lớn)

Æ sơ đồ thay thế gần đúng MBA Æ thuận tiện trong tính toán

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3

Thí nghiệm không tải và thí nghiệm ngắn mạch

Các điện trở và điện kháng trong sơ đồ thay thế của máy biến áp có thểđược xác định từ các kết quả thí nghiệm không tải và ngắn mạch (hoặcđược tính toán từ các thông số của mạch từ, dây quấn máy biến áp)

A V

HV- high voltage, cao thế

oc: open circuit Các số liệu thí nghiệm đo được ở LV: Voc, Ioc, Poc

Lưu ý Voc= điện áp định mức dây quấn hạ thế

P

V R

2

=

c

oc R

R

V

I =

X R

oc I I

2 2

R oc

X

oc m

Quy đổi về phía HV (sơ cấp) bằng cách nhân hay chia?

các giá trị trên với a2

nhân

V

eq eq

Giải thích về các đại lượng định mức của MBA

Công suất (biểu kiến) định mức

229 Ruột máy (kg)

78 Dầu (kg)

Trọng lượng (kg)

473 A

1230 H

300 W

690

L (mm)

Kích thước máy

2,2 Điện áp ngắn mạch Uk (%)

570

Tổn hao ngắn mạch ở 75 độ C Pk(W)

1 Dòng điện không tải Io (%)

108 Tổn hao không tải Po (W)

I/Io

Tổ đấu dây

12,7 KV/ 0,23 KV Điện áp

50 Dung lượng (KVA)

ĐL2 - QĐ1094 Tiêu chuẩn

Thông số kĩ thuật MÁY BIẾN ÁP 1 PHA _ 50 KVA

Thí nghiệm không tải

R c và X mlà các giá trị quy đổi về phía thứ cấp của MBA

R eq và X eqlà các giá trị quy đổi về phía sơ cấp của MBA

Sơ đồ thay thế tương đương của MBA

hayTính hiệu suất

Pc: tổn hao đồng (I2R) trên dây quấn sơ cấp và thứ cấp

Pi: tổn hao sắt (dòng xoáy và từ trễ) trên lõi thép MBA

–

2

V a

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3

Ví dụ - Bài tập

Ví dụ 3.10

Cho máy biến áp 150 kVA, 2400/240 V, 60 Hz Các thông số trong sơ

đồ thay thế như sau: Req= 0,425 Ω, Xeq= 0,914 Ω, Rc1= 9931 Ω quy đổi về cao thế Tính hiệu suất MBA ở tải cảm định mức với hệ số côngsuất 0,8 chậm pha đấu ở hạ thế MBA

3 dm

2dm 2

150 10

625240

240010240

dm

V a V

Pc: tổn hao đồng (I2R) trên dây quấn sơ cấp và thứ cấp

Pi: tổn hao sắt (dòng xoáy và từ trễ) trên lõi thép MBA

I2

Ví dụ 3.11

Tính phần trăm độ thay đổi điện

áp ở chế độ tải tải cảm định mức với hệ số công suất 0,8

Ví dụ 3.12

Tính phần trăm độ thay đổi điện

áp ở tải 100kW với hệ số công suất 0,8 sớm pha

3 2

2

2

100 10

520,830,8 240

240010240

dm

U a U

240

V a V V

Pc: tổn hao đồng (I2R) trên dây quấn sơ cấp và thứ cấp

Pi: tổn hao sắt (dòng xoáy và từ trễ) trên lõi thép MBA

1

2

2

2389, 7 / 9931 575, 03/

3 3