Bài giảng Biến đổi năng lượng điện cơ - Chương 4 - Hồ Phạm Huy 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