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

Nội dung text: Bài giảng Biến đổi năng lượng điện cơ - Chương 4 - Hồ Phạm Huy Ánh

1. BÀI GIẢNG Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ TS. Hồ Phạm Huy Ánh March 2010 Lecture 4 1
2. Máy Biến Thế –Giới Thiệu Chung 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. Lecture 4 2
3. Máy Biến Áp Lý Tưởng ¾ Xét mạch từ gồm 2 cuộn dây quấn như φ Hình vẽ. Bỏ qua các tổn hao đồng và sắt, i1 i2 + + v1 N1 N2 v2 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. dφ dφ v1 (t) N1 v1 ()t = N1 v2 ()t = N 2 ⇒ = = a dt dt v2 ()t N 2 Ta gọi a là tỉ số dây quấn. ¾ Sức từ động tổng mmf được tính bởi mmf = N1i1 + N 2i2 = Rφ = 0 i ()t N 1 ⇒ 1 = − 2 = − i2 ()t N1 a Lecture 4 3
4. Máy Biến Áp Lý Tưởng (tt) i i v N i N 1 1 Ideal 2 1 = 1 = a 1 = − 2 = − + + v2 N 2 i2 N1 a v1 v2 – – v1 ()t i1 ()t + v2 ()t i2 (t) = 0 N1:N2 i i v N i N 1 1 Ideal 2 1 = 1 = a 1 = 2 = + + v2 N 2 i2 N1 a v1 v2 v1 ()t i1 ()t = v2 ()t i2 (t) – – N1:N2 ¾ Ta suy ra với MBA Lý Tưởng i1 L2 v2 1 2 2 k = 1 = − = − = − ⇒ L1 N 2 = L2 N1 i2 L1 v1 a Lecture 4 4
5. Thuộc tính trở kháng biến đổi của MBA Lý Tưởng ¾ Khảo sát MBA lý tưởng có tải trở mắc ở cuộn thứ v i i ¾ Định Luật Ohm cho, 2 = R 1 Ideal 2 L + + i2 v v RL ¾ Thay v 2 = v 1 a và i2 = ai1 1 2 2 – – v ⎛ N ⎞ N1:N2 1 2 ⎜ 2 ⎟ = a RL = ⎜ ⎟ RL i1 ⎝ N1 ⎠ ¾ Kết quả trên dễ dàng được mở rộng với tổng trỡ phức 2 2 V ⎛ N ⎞ V ⎛ N ⎞ 1 ⎜ 2 ⎟ 2 ⎜ 2 ⎟ 2 = ⎜ ⎟ = ⎜ ⎟ Z L = a Z L I1 ⎝ N1 ⎠ I 2 ⎝ N1 ⎠ Lecture 4 5
6. Tính tương hợp trở kháng ¾ Thuộc tính điện kháng biến đổi có thể được áp dụng để thực hiện phối hợp trở kháng sơ-thứ của MBA, qua đótối 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 2 Z o ≈ (N1 N 2 ) Z L 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 tải4 Ω nốivới R và qui về sơ cấpbằng (R + 4(2)2)(2)2. Nhằmtối đa công suất truyền tải ta cần, 10 + 4R = 64 ⇒ R =13.5 Ω Lecture 4 6
7. MBA Công Suất 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. 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 Vm1 = 2πfN1φmax hay V1 = 4.44 fN1φmax Lecture 4 7
8. Các hình ảnh minh họa các loại MBA một pha và ba pha MBA CS bé MBA 3 pha CS bé MBA cách ly MBA khô 110 kV, MBA dầu 10 kV, MBA dầu 500 kV, MBA dầu Lecture 4 8
9. Bài Tập: 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. V1 = 4.44 fN1φmax với V1 = 230 V, f = 60 Hz, N1 = 200 230 −3 Vì thế, φ = = 4.32 ×10 webers max 4.44 × 60 × 200 4.32×10−3 Suy ra, B = = 0.864 webers/m2 m 0.005 Như vậy ta cóH m = 0.864× 300 = 259 At/m , 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 cấpphía sơ cấp. Lecture 4 9
10. Mạch tương đương của MBA với lỏi thép chưa bảo hòa 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. 2 L1 –aM2 aL2 –aM R1 a R2 i1 i2 + + + + i 2 v R 1 i2/a a R 1 v2 L v1 aM av2 L – – – – N1:N2 2 ¾ (L1 –aM)dùng thể hiện điện kháng rò của dây quấn sơ, a L2 –aMdùng 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 Lecture 4 10
11. Mạch tương đương của MBA với lỏi thép chưa bảo hòa (tt.) 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. 2 L1 –aM 2 a L2 –aM i1 R1 a R2 Ideal i2 + + + v R av v RL 1 c1 (aM)1 2 2 – – – N1:N2 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. Lecture 4 11
12. MBA vận hành xác lập 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. 2 jxl1 2 ja xl2 R1 a R2 Ideal I 2 + + + I1 I 2 a R ZL V1 c1 jXm1 aV2 V2 – – – N1:N2 Trong đó Điện kháng rò của dây quấn sơ ω()L1 − aM = xl1 = ω()aM = X m1 = Điện kháng từ hóa qui về sơ cấp ω()L2 − M a = xl 2 = Điện kháng rò của dây quấn thứ 2 2 ω()a L2 − aM = a xl 2 = Điện kháng rò của dây quấn thứ qui về sơ cấp Lecture 4 12
13. MBA vận hành xác lập (tt.) ¾ Các thông số mạch được qui về phía cuộn sơ cấp 2 jxl1 2 ja xl2 R1 a R2 + + I1 I 2 a 2 V R a ZL aV 1 c1 jXm1 2 – – ¾ Hoặc được qui về phía cuộn thứ cấp 2 2 jxl1/a jxl2 R1/a R2 + + aI1 I 2 2 V a R /a 2 ZL V 1 c1 jXm1/a 2 – – Lecture 4 13
14. Mạch tương đương gần đúng của MBA 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. 2 jxl1 2 ja xl2 R1 a R2 + + I1 I 2 a 2 V R a ZL aV2 1 c1 jXm1 – – jx1eq R1eq + + 2 I1 I 2 a R1eq = R1 + a R2 a2Z aV V1 R jX L 2 c1 m1 x = x + a 2 x – – 1eq l1 l 2 Lecture 4 14
15. Thí Nghiệm Không Tải (TNKT) & Ngắn Mạch (TNNM) cho MBA 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). I oc A W Voc Voc I R I X V Rc Xm LV HV TN Không Tải Mạch tương đương Lecture 4 15
16. Thí Nghiệm Hở Mạch hay TN Không Tải (TNKT) 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. 2 Voc Voc Rc = I R = I oc = I R + I X Poc Rc I oc Từ đó, I = I 2 − I 2 X oc R Voc I R I X V oc Rc Xm X m = I X ¾ Rc và Xm thể hiện trên mạch tương đương được qui về sơ cấp (HV) MBA. Lecture 4 16
17. Thí Nghiệm Ngắn Mạch (TNNM) 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. X Req eq A W I sc Vsc Vsc V HV LV Psc Vsc 2 2 Req = 2 Z eq = X eq = Z eq − Req I sc I sc ¾ Req và Xeq thể hiện trên mạch tương đương qui về sơ cấp (HV) MBA. Lecture 4 17
18. Ví Dụ: 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) (220)2 220 R = = 968 Ω I = = 0.227 A c 50 R 968 2 220 I = 12 − ()0.227 = 0.974 A X = = 225.9 Ω X m 0.974 Các kết quả suy ra được từ số liệu Thí Nghiệm Ngắn Mạch (TNNM) 60 Req = = 0.2076 Ω ()17 2 15 Z = = 0.882 Ω eq 17 2 2 X eq = 0.882 − 0.2076 = 0.8576 Ω Lecture 4 18
19. Tính Hiệu Suất và Xác Định Phần Trăm Biến Thiên Điện Áp ¾ Hiệu suất MBA được tính bằng tỉ số công suất ra chia cho công suất vào. P P P η = out = out ×100% = out ×100% Pin Pout + losses Pout + Pc + Pi 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, P − P − P η = in c i ×100% Pin ¾ Công thức xác định Phần Trăm Biến Thiên Điện Áp V −V % voltage regulation = no load load ×100% Vload Lecture 4 19
20. BT Trong Lớp ¾ Giải BT 3.22 and 3.23. Lecture 4 20