Chương 2 Máy biến áp TS. Nguyễn Quang Nam

Nguyễn Quang Nam 2012 – 2013, HK 2 http://www4.hcmut.edu.vn/~nqnam/lecture.php nqnam@hcmut.edu.vn Truyền tải điện năng từ một mạch sang một mạch khác thông qua từ trường.. Trong truyền t

1 Phần 1

Bài gi ả ng

Ch ươ ng 2: Máy bi ế n áp

TS Nguyễn Quang Nam

2012 – 2013, HK 2

http://www4.hcmut.edu.vn/~nqnam/lecture.php

nqnam@hcmut.edu.vn

Truyền tải điện năng từ một mạch sang một mạch khác thông qua từ trường

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 bi ế n áp – Gi ớ i thi ệ u

3 Phần 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 bi ế n áp – Gi ớ i thi ệ u (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 bi ế n áp – Gi ớ i thi ệ u (tt)

5 Phần 1

M ộ t s ố hình ả nh v ề máy bi ế n áp

Đ i ề u khi ể n Công suấ t nh ỏ 3 pha nhỏ

Lo ạ i khô

10 kV, ngâm d ầ u 110 kV, ngâm dầ u

500 kV, ngâm d ầ u

Nếu cấp điện cho dây quấn sơ cấp, và để hở mạch dây

quấn thứ cấp, ta có điều kiện làm việc không tải (hình 2.4)

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 có giá trị bằng với điện áp đặt vào dây quấn

Máy bi ế n áp – Ho ạ t độ ng không t ả i

7 Phần 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

cuộn sơ cấp

Nếu mạch từ hoạt động ở vùng phi tuyến, dạng sóng

dòng từ hóa sẽ khác với dạng sóng từ thông

Máy bi ế n áp – Ho ạ t độ ng không t ả i (tt)

( ) ω t

φ

φ = max sin

1 max 1

max

1 2 f N 4 , 44 f N

(2.1)

(2.2)

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 bi ế n áp – Ho ạ t độ ng không t ả i (tt)

9 Phần 1

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 bi ế n áp lý t ưở ng

φ

N1 N2

v2

v1 + –

+ –

( )

dt

d N t

1

dt

d N t

2

N t

v

t v

=

= 2

1

2 1

a được gọi là t ỷ s ố vòng dây.

Xem mạch từ có độ thẩm từ vô cùng lớn hay từ trở bằng 0

(2.3)

Máy bi ế n áp lý t ưở ng (tt)

Sức từ động tổng cho bởi

0

2 2 1

= N i N i Rφ

mmf

N t

i

t

1

2

2

1 = − = −

Ideal

N1:N2

+

–

+

–

N i

i a N

N v

1

2

2

1

2

1

2

( ) ( )1 2( ) ( )2 0

1 t i t +v t i t =

v

Dẫn đến mô hình toán của MBA như sau

(2.4) (2.5)

(2.6)

11 Phần 1

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

ước mạch điện như ở slide trước)

Máy bi ế n áp lý t ưở ng (tt)

Ideal

N1:N2

+

–

+

–

a N

N i

i a N

N v

1

2

2

1

2

1

2

( ) ( )t i t v ( ) ( )t i t

a v

v L

L i

i

1

2

1

2

2

1 = − = − = −

1 2

2 2

1N L N

Một mô hình khác sát với hiện tượng vật lý hơn

(2.7)

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

Theo định luật Ohm

Thay và

Tính ch ấ t thay đổ i tr ở kháng c ủ a MBA lý t ưở ng

RL Ideal

N1:N2

+

–

+

–

i1 i2

L

R i

v

= 2 2

a v

v2 = 1 i2 = ai1

L

N

N R

a i

2

1 2

1

1













=

=

Có thể dễ dàng mở rộng kết quả trên cho các hệ thống có

tải phức Có thể chứng minh rằng

L

L a Z

Z N

N I

V N

N I

2

1

2 2 2

2

1

1











=













=

(2.8)

(2.9)

13 Phần 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

suất thực và công suất biểu kiến không đổi

Quy đổ i t ổ ng tr ở , đ i ệ n áp, và dòng điệ n

để c ự c đạ i hóa vi ệ c truy ề n công su ấ t gi ữ a các dây

qu ấ n, hay ph ố i h ợ p tr ở kháng.

su ấ t (tr ở kháng Zo) và t ả i (tr ở kháng ZL) T ỷ s ố

Ph ố i h ợ p tr ở kháng

15 Phần 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

ra một mạch tương đương có ích hơn (hình 2.10)

RL

N1:N2

+

–

+

–

i1 i2

a 2 R2

aM

i1 i2/a

R1 L1 – aM a 2 L2 – aM

–

+

– +

L1 – aM đượ c g ọ i là đ i ệ n c ả m t ả n c ủ a dây qu ấ n 1, a 2 L2 – aM

đượ c g ọ i là đ i ệ n c ả m t ả n “quy đổ i” c ủ a dây qu ấ n 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.

17 Phần 1

RL Ideal

N1:N2

+

–

+

–

2

+

–

av2

R1 L1 – aM

Rc1 (aM)

1

a 2 R2 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 (hình T) của MBA như sau

Khi vận hành xác lập, các trở kháng và vectơ pha có thể được dùng trong mạch tương đương

Máy bi ế n áp v ậ n hành xác l ậ p hình sin

ZL Ideal

N1:N2

+

–

+

–

+

–

R1 jxl1

Rc1 jXm1

a 2 R2 ja2xl2

với

1

I

2

I

2

V

1

a

I2

( )

=

=

−

=

=

=

=

−

2 2

2 2

1

1 1

l m l

x a aM L

a

x a M L

X aM

x aM L

ω

ω

ω

Đ i ệ n kháng t ừ hóa quy đổ i v ề dây qu ấ n 1

Đ i ệ n kháng t ả n c ủ a dây qu ấ n 2

19 Phần 1

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

Máy bi ế n áp v ậ n hành xác l ậ p hình sin (tt)

a 2 ZL +

–

+

–

R1 jxl1

Rc1 jX

m1

a 2 R2 ja2xl2

1

I

1

a

I2

ZL +

–

+

–

R1/a 2 jxl1/a 2

Rc1/a 2

jXm1/a 2

R2 jxl2

1

I a a

2

I

Hoặc có thể quy đổi về dây quấn 2