Bài giảng máy điện chương 2 TS nguyễn quang nam

Ph ầ n 1 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

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

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

Máy biến áp – Giới thiệu

Ph ầ n 1

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)

Sự biến đổi năng lượng chỉ yêu cầu có từ thông móc

vòng biến thiên theo thời gian Do đó, lõi không khí cũng có

thể tạo ra hiệu ứng biến áp, nhưng lõi thép kỹ thuật điện sẽ

cho phép thực hiện hiệu quả hơn rất nhiều lần

Lõi thép trong máy biến áp được ghép từ nhiều lá thép

mỏng, để giảm tổn hao do dòng điện xoáy

Mặc dù máy biến áp lực sử dụng lõi thép, vẫn tồn tại một

lượng nhỏ từ thông tản, chỉ liên quan đến từng dây quấn

Máy biến áp – Giới thiệu (tt)

Để tạo ra từ thông làm việc trong máy (bằng với giá trị

bình thường), cần có một dòng điện được cung cấp từ

nguồn, được gọi là dòng điện không tải

Thông thường dòng điện từ hóa có giá trị rất nhỏ so với dòng điện định mức, do đó có thể xem điện áp cảm ứng cógiá trị bằng với điện áp đặt vào dây quấn

Máy biến áp – Hoạt động không tải

Ph ầ n 1

Giả sử từ thông có dạng

Điện áp đặt vào V1 khi đó sẽ thỏa mãn

với f là tần số dòng điện từ hóa, và N1 là số vòng dây của

Dòng điện không tải bao gồm 2 thành phần: thành phần

tổn hao lõi thép và thành phần từ hóa

Khi mạch từ hoạt động ở vùng phi tuyến, dòng điện

không tải sẽ gồm thành phần cơ bản và các họa tần bậc lẻ Xét thành phần cơ bản của dòng điện không tải hoặc dòng

điện không tải hình sin tương đương, có thể biểu diễn dòng

điện không tải bằng một giản đồ vectơ (hình 2.5)

Ví dụ 2.1 (sách Fitzgerald)

Máy biến áp – Hoạt động không tải (tt)

+ –

( )

dt

d N t

v

t v

i a N

N v

(2.6)

Ph ầ n 1

Có thể thấy rằng, với một máy biến áp lý tưởng (theo quy

ước mạch điện như ở slide trước)

Máy biến áp lý tưởng (tt)

N i

i a N

N v

v L

L i

2 2

v

=

2 2

a v

a i

2

1 2

N I

V N

N I

2

1

2 2 2

Ph ầ n 1

Như vậy, nếu chỉ khảo sát phía sơ cấp, sẽ không thể phân

biệt được giữa mạch điện có điện trở tương đương nối vào

sơ cấp, với mạch điện có tổng trở tải nối vào thứ cấp

Tóm lại, trong máy biến áp lý tưởng, điện áp được quy đổi theo tỷ số vòng dây, dòng điện theo nghịch đảo tỷ số vòng dây, và tổng trở theo bình phương tỷ số vòng dây Công

Ph ầ n 1

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 (= N 1 /N 2 ) và i 2 được thay thế bởi i 2 /a, để rút

M ạ ch t ươ ng đươ ng c ủ a MBA v ớ i m ạ ch t ừ tuy ế n tính

L1 – aM đượ c g ọ i là điện cảm tản của dây quấn 1, a 2 L2 – aM

đượ c g ọ i là điện cảm tản “quy đổi” của dây quấn 2 aM là điệ n

c ả m t ừ hóa, và dòng điệ n đ i cùng v ớ i nó đượ c g ọ i là dòng điệ n t ừ

hóa.

T ồ n t ạ i t ổ n hao công su ấ t trong lõi t ừ do t ừ tr ễ và dòng xoáy Các t ổ n hao này r ấ t khó tính toán b ằ ng gi ả i tích T ổ ng các t ổ n hao này bi ể u di ễ n t ổ n hao t ổ ng trong m ạ ch t ừ c ủ a máy bi ế n áp, và ch ỉ

ph ụ thu ộ c vào giá tr ị Bm Chúng đượ c g ọ i là t ổ n hao (lõi) thép

M ộ t đ i ệ n tr ở có th ể đượ c m ắ c song song v ớ i đ i ệ n kháng t ừ hóa

aM để k ể đế n các t ổ n hao này.

Ph ầ n 1

M ạ ch t ươ ng đươ ng c ủ a MBA v ớ i m ạ ch t ừ tuy ế n tính (tt)

RLIdeal

2 2

1

1 1

l m l

x a aM L

a

x a M L

X aM

x aM L

Ph ầ n 1

Tất cả các đại lượng có thể được quy đổi về dây quấn 1

Máy biến áp vận hành xác lập hình sin (tt)

a 2 ZL+

2

I

Hoặc có thể quy đổi về dây quấn 2

một m ạ ch t ươ ng đươ ng g ầ n đ úng, với sai số không đáng kể.

Các yếu tố kỹ thuật trong phân tích MBA

a

I2

2

2 1 1

2

2 1 1

l l

eq

eq

x a x x

R a R R

Ph ầ n 2

Các thông số trong mạch tương đương có thể được xác

định nhờ hai thí nghiệm đơn giản: thí nghi ệ m h ở m ạ ch and

thí nghi ệ m ng ắ n m ạ ch.

Trong các MBA công suất, các dây quấn còn được gọi làdây 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

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 V oc, I oc, và P oc bằng các dụng cụ đo

V R

2

=

c

oc R

R oc

X

oc m

Tất cả dụng cụ đo nằm ở phía cao áp Cấp dòng điện

định mức vào phía cao áp Đo được V sc, I sc, và P sc bằng các

I

V

eq eq

Ph ầ n 2

Hiệu suất được định nghĩa là tỷ số giữa công suất thực ngõ ra và công suất thực ngõ vào

Hiệu suất

%100

%

++

=

×+

=

=

i c out

P losses

P

P P

P

P P P

0 2

+

−

=

n dm

n

P P

S

P P

β θ

β

β η

(2.15)

(2.16)

với P0 = Poc, Pn = Psc, và Sdm là công suất (biểu kiến) định

mức của máy biến áp

load

load load

V

Vno load – điệ n áp không t ả i, Vload – điệ n áp khi có t ả i

Độ ổn định được hiểu theo nghĩa: giá trị %∆V càng nhỏ

thì điện áp càng ổn định, khi tải thay đổi

và unx là phần thực và phần ảo của vectơ pha ∆U (là hiệu

của vectơ pha điện áp U2 khi không tải và khi có tải)

(2.18)

Ph ầ n 2

Máy biến áp tự ngẫu

Hai cuộn dây của một MBA bình thường có thể được

nối lại để tạo thành MBA tự ngẫu, như hình 2.17b

Ngu ồ n: “Electric Machinery”, 6E, Fitzgerald

Máy biến áp tự ngẫu (tt)

Việc làm trên sẽ khiến 2 cuộn dây của máy không còn cách ly với nhau nữa

Tuy nhiên, khi điện áp sơ cấp và thứ cấp không quá

khác biệt, MBA tự ngẫu có thể giảm chi phí chế tạo nhiều,

cũng như có điện kháng tản, tổn hao, và dòng điện không

tải nhỏ hơn so với MBA 2 dây quấn (ví dụ 2.7)

Y, ∆ - ∆ , và Y-Y (hình 2.19, sách Fitzgerald).

Trong các s ơ đồ trên hình, các cu ộ n dây s ơ c ấ p

và th ứ c ấ p song song v ớ i nhau là các cu ộ n dây

Ph ầ n 2

Ngu ồ n: “Electric Machinery”, 6E, Fitzgerald

Ki ể u n ố i Y- ∆ thườ ng đượ c dùng để h ạ điệ n áp t ừ

cao th ế xu ố ng trung ho ặ c h ạ th ế Lý do là trung tính phía cao th ế trong nhi ề u tr ườ ng h ợ p c ầ n đượ c n ố i

V ớ i các h ệ cân b ằ ng, có th ể phân tích máy 3 pha

b ằ ng s ơ đồ 1 pha, v ớ i gi ả thi ế t hi ệ n t ượ ng x ả y ra trong 2 pha còn l ạ i không khác gì.

Khi g ặ p các bài toán có các m ạ ch 3 pha n ố i ∆ , có

th ể quy đổ i thành m ạ ch 3 pha n ố i Y t ươ ng đươ ng.

Ví d ụ 2.8 (sách Fitzgerald).

Ph ầ n 2

Ba MBA m ộ t pha 50 kVA, 2400:240-V hoàn toàn

gi ố ng nhau (nh ư trong vd 2.6) đượ c n ố i theo ki ể u

Y-∆ để t ạ o thành MBA 150 kVA, và n ố i vào m ộ t

đườ ng dây có t ổ ng tr ở 0,15 + j1,00 Ω /pha.

MBA cung c ấ p cho m ộ t t ả i 3 pha cân b ằ ng thông qua m ộ t đườ ng dây có t ổ ng tr ở 0,0005 +j0,002

Ω /pha Tìm đ i ệ n áp dây c ủ a t ả i khi t ả i tiêu th ụ dòng

đị nh m ứ c t ừ MBA ở HSCS 0,8 tr ễ

Máy bi ế n áp c ũ ng th ườ ng đượ c dùng trong đ o

l ườ ng để điề u ch ỉ nh c ấ p đ i ệ n áp hay dòng đ i ệ n cho phù h ợ p v ớ i thang đ o c ủ a thi ế t b ị đo

Điệ n áp và dòng điệ n c ầ n đ o có th ể có giá tr ị r ấ t

l ớ n so v ớ i các thang đ o đ ã chu ẩ n hóa.

M ộ t k ỹ thu ậ t ph ổ bi ế n là dùng các máy bi ế n áp

đặ c bi ệ t, g ọ i là PT và CT.

PT và CT, g ọ i chung là máy bi ế n áp đ o l ườ ng,

đượ c ch ế t ạ o gi ố ng v ớ i máy bi ế n áp lý t ưở ng đế n

m ứ c có th ể

Sai s ố c ủ a PT có th ể đượ c gi ả m thi ể u b ằ ng cách

ch ế t ạ o sao cho t ổ ng tr ở t ả n s ơ c ấ p nh ỏ hơn rấ t nhi ề u so v ớ i đ i ệ n kháng t ừ hóa.

Sai s ố này t ă ng lên khi PT mang t ả i (h ữ u h ạ n).