1Phần 1 Bài giảng Chương 2: Máy biến áp TS. Nguyễn Quang Nam 2012 – 2013, HK 2 http://www4.hcmut.edu.vn/~nqnam/lecture.php nqnam@hcmut.edu.vn 2Phần 1  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 biến áp – Giới thiệu 3Phần 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) 4Phần 1  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) 5Phần 1 Một số hình ảnh về máy biến áp Điều khiển Công suất nhỏ 3 pha nhỏ Loại khô 10 kV, ngâm dầu 110 kV, ngâm dầu 500 kV, ngâm dầu 6Phần 1  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 biến áp – Hoạt động không tải 7Phần 1  Giả sử từ thông có dạng  Điện áp đặt vào V 1 khi đó sẽ thỏa mãn với f là tần số dòng điện từ hóa, và N 1 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 biến áp – Hoạt động không tải (tt) ( ) t ω φ φ sin max = 1max1max1 44,42 NfNfV φφπ == (2.1) (2.2) 8Phần 1  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) 9Phần 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 biến áp lý tưởng φ N 1 N 2 i 1 i 2 v 2 v 1 + – + – ( ) dt d Ntv φ 11 = ( ) dt d Ntv φ 22 = ⇒ ( ) ( ) a N N tv tv == 2 1 2 1 a được gọi là tỷ số vòng dây.  Xem mạch từ có độ thẩm từ vô cùng lớn hay từ trở bằng 0. (2.3) 10Phần 1 Máy biến áp lý tưởng (tt)  Sức từ động tổng cho bởi 0 2211 = = + = φ RiNiNmmf ⇒ ( ) ( ) aN N ti ti 1 1 2 2 1 −=−= Ideal N 1 :N 2 + – + – i 1 i 2 v 1 v 2 aN N i i a N N v v 1 1 2 2 1 2 1 2 1 −=−=== ( ) ( ) ( ) ( ) 0 2211 = + titvtitv  Dẫn đến mô hình toán của MBA như sau (2.4) (2.5) (2.6) 11Phần 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) Ideal N 1 :N 2 + – + – i 1 i 2 v 1 v 2 aN N i i a N N v v 1 1 2 2 1 2 1 2 1 ==== ( ) ( ) ( ) ( ) titvtitv 2211 = av v L L i i k 1 1 1 2 1 2 2 1 −=−=−== ⇒ 2 12 2 21 NLNL =  Một mô hình khác sát với hiện tượng vật lý hơn (2.7) 12Phần 1  Xét 1 MBA lý tưởng với tải điện trở nối vào dây quấn 2  Theo định luật Ohm  Thay và Tính chất thay đổi trở kháng của MBA lý tưởng R L Ideal N 1 :N 2 + – + – i 1 i 2 v 1 v 2 L R i v = 2 2 avv 12 = 12 aii = LL R N N Ra i v 2 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 LL ZaZ N N I V N N I V 2 2 2 1 2 2 2 2 1 1 1 =         =         = (2.8) (2.9) 13Phần 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 đổi tổng trở, điện áp, và dòng điện 14Phần 1  Tính chất thay đổi trở kháng có thể được dùng để cực đại hóa việc truyền công suất giữa các dây quấn, hay phối hợp trở kháng.  Một MBA lý tưởng được đặt giữa nguồn công suất (trở kháng Z o ) và tải (trở kháng Z L ). Tỷ số vòng dây được chọn sao cho Phối hợp trở kháng ( ) Lo ZNNZ 2 21 ≈ (2.10) 15Phần 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). Mạch tương đương của MBA với mạch từ tuyến tính R L N 1 :N 2 + – + – i 1 i 2 v 1 v 2 a 2 R L a 2 R 2 aM i 1 i 2 /a R 1 L 1 – aM a 2 L 2 – aM v 1 av 2 – + – + 16Phần 1 Mạch tương đương của MBA với mạch từ tuyến tính  L 1 – aM được gọi là điện cảm tản của dây quấn 1, a 2 L 2 – aM được gọi là điện cảm tản “quy đổi” của dây quấn 2. aM là điện cảm từ hóa, và dòng điện đi cùng với nó được gọi là dòng điện từ hóa.  Tồn tại tổn hao công suất trong lõi từ do từ trễ và dòng xoáy. Các tổn hao này rất khó tính toán bằng giải tích. Tổng các tổn hao này biểu diễn tổn hao tổng trong mạch từ của máy biến áp, và chỉ phụ thuộc vào giá trị B m . Chúng được gọi là tổn hao (lõi) thép. Một điện trở có thể được mắc song song với điện kháng từ hóa aM để kể đến các tổn hao này. 17Phần 1 Mạch tương đương của MBA với mạch từ tuyến tính (tt) R L Ideal N 1 :N 2 + – + – i 1 i 2 v 1 v 2 + – av 2 R 1 L 1 – aM R c1 (aM) 1 a 2 R 2 a 2 L 2 – aM  Tải thực R L 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 18Phần 1  Khi vận hành xác lập, các trở kháng và vectơ pha có thể được dùng trong mạch tương đương. Máy biến áp vận hành xác lập hình sin Z L Ideal N 1 :N 2 + – + – + – R 1 jx l1 R c1 jX m1 a 2 R 2 ja 2 x l2 với 1 I 2 I 2 V 1 V 2 Va aI 2 ( ) ( ) ( ) ( ) ==− ==− == = = − 2 2 2 2 22 1 11 l l m l xaaMLa xaML XaM xaML ω ω ω ω Điện kháng tản của dây quấn 1 Điện kháng từ hóa quy đổi về dây quấn 1 Điện kháng tản của dây quấn 2 Điện kháng tản của d/quấn 2 quy đổi về d/quấn 1 19Phần 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 Z L + – + – R 1 jx l1 R c1 jX m1 a 2 R 2 ja 2 x l2 1 I 1 V 2 Va aI 2 Z L + – + – R 1 /a 2 jx l1 /a 2 R c1 /a 2 jX m1 /a 2 R 2 jx l2 1 Ia aV 1 2 V 2 I  Hoặc có thể quy đổi về dây quấn 2 . trước) Máy biến áp lý tưởng (tt) Ideal N 1 :N 2 + – + – i 1 i 2 v 1 v 2 aN N i i a N N v v 1 1 2 2 1 2 1 2 1 ==== ( ) ( ) ( ) ( ) titvtitv 22 11 = av v L L i i k 1 1 1 2 1 2 2 1 −=−=−== ⇒ 2 12 2 21 NLNL. đương. Máy biến áp vận hành xác lập hình sin Z L Ideal N 1 :N 2 + – + – + – R 1 jx l1 R c1 jX m1 a 2 R 2 ja 2 x l2 với 1 I 2 I 2 V 1 V 2 Va aI 2 ( ) ( ) ( ) ( ) ==− ==− == = = − 2 2 2 2 22 1 11 l l m l xaaMLa xaML XaM xaML ω ω ω ω Điện. 1Phần 1 Bài giảng Chương 2: Máy biến áp TS. Nguyễn Quang Nam 20 12 – 20 13, HK 2 http://www4.hcmut.edu.vn/~nqnam/lecture.php nqnam@hcmut.edu.vn 2Phần 1  Truyền tải điện năng từ