Bài giảng Biến đổi năng lượng điện cơ - Chương 3: Mạch từ. Hỗ cảm. Máy biến áp

Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Biến đổi năng lượng
điện cơ
-Máy biến áp
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Biến đổi năng lượng điện từ mạch điện này sang mạch điện khác 
thông qua từ trường biến thiên.
 Ứng dụng: trong cả lĩnh vực điện và thông tin.
 Trong truyền tải, phân phối và ứng dụng năng lượng điện: tăng áp 
hay giảm áp với tần số không đổi (50/60Hz), từ vài trăm W tới hàng 
trăm MW.
 Trong thông tin, MBA có thể được dùng để phối hợp trở kháng, cách 
ly DC, thay đổi mức điện áp tại công suất nhỏ với dải tần số rộng.
 Nội dung môn học chỉ đề cập đến máy biến áp (MBA) công suất.
Giới thiệu
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Xét một lõi thép có quấn 2 cuộn dây như 
hình vẽ. Bỏ qua các tổn hao, và từ thông tản.
 Độ thẩm từ là vô cùng hay từ trở bằng 0.

N1 N2
i1 i2
v2v1
+
–
+
–
dt
d
Ntv

11 
dt
d
Ntv

22 
a
N
N
tv
tv
2
1
2
1
a được gọi là tỉ số dây quấn. 
 Tổng stđ mmf bằng 02211 RiNiNmmf
 aN
N
ti
ti 1
1
2
2
1 
MBA lý tưởng
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Với MBA lý tưởng
Ideal
N1:N2
+
–
+
–
i1 i2
v1 v2
Ideal
N1:N2
+
–
+
–
i1 i2
v1 v2
aN
N
i
i
a
N
N
v
v 1
1
2
2
1
2
1
2
1 
aN
N
i
i
a
N
N
v
v 1
1
2
2
1
2
1
2
1 
 02211 titvtitv
 titvtitv 2211 
av
v
L
L
i
i
k
1
1
1
2
1
2
2
1 212
2
21 NLNL 
MBA lý tưởng (tt)
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Xét một MBA lý tưởng với tải trở mắc ở cuộn dây 2
 Theo định luật Ohm,
 Thay và RL
Lý tưởng
N1:N2
+
–
+
–
i1 i2
v1 v2
LR
i
v
2
2
avv 12 12 aii 
LL R
N
N
Ra
i
v
2
1
22
1
1
 Mở rộng cho trường hợp tải tổng quát
LL ZaZ
N
N
I
V
N
N
I
V 2
2
1
2
2
2
2
1
2
1
1 
Đặc tính thay đổi trở kháng của MBA lý tưởng
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Tính chất thay đổi trở kháng có thể được dùng để tối ưu công suất 
truyền đi giữa các cuộn dây, hay gọi là phối hợp trở kháng.
 Một MBA lý tưởng được đặt giữa một nguồn điện (trở kháng Zo) và tải 
(trở kháng ZL). Tỉ số vòng dây được chọn sao cho
 Lo ZNNZ
2
21 
 VD. 3.7: Hai MBA lý tưởng (mỗi MBA có tỉ số 2:1) và một điện trở R 
được dùng để tối ưu công suất truyền đi, Tìm R.
Tải trở 4  kết hợp với R qui về phía đầu vào là (R + 4(2)2)(2)2. Để tối
ưu công suất,
 100 4 16R 
 9 R 
Phối hợp trở kháng
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Hai cuộn dây được quấn trên một lõi 
từ, để cực tiểu từ thông tản.
Cuộn sơ cấp có N1 vòng được nối với 
nguồn điện, cuộn thứ cấp có N2 vòng nối 
với tải.
 Trường hợp MBA lý tưởng: không có từ thông tản, bỏ qua điện trở
cuộn dây, lõi từ có độ thẩm từ bằng vô cùng, không có tổn hao.
 Cho v1(t) = Vm1cost là điện áp đưa và cuộn sơ cấp, ta được
max11 2  fNVm hay max11 44.4 fNV 
MBA công suất
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Điều khiển
MBA loại nhỏ 3 pha loại nhỏ
Đúc nhựa tổng hợp
10 kV, MBA dầu 110 kV, dầu 500 kV, dầu
Một số hình ảnh MBA
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 VD. 3.8: Cho N1, N2, tiết diện lõi, chiều dài trung bình lõi, đường cong 
B-H, và điện áp vào. Tìm mật độ từ thông cực đại, và dòng từ hóa cần 
thiết.
max11 44.4 fNV trong đó 200 Hz, 60 V, 230 11 NfV
 webers1032.4
2006044.4
230 3
max
 Ta được,
2
3
 webers/m864.0
005.0
1032.4
mBSuy ra,
Ta được , giá trị đỉnh của dòng từ hóa 
là (259)(0.5)/200 = 0.6475 A. Dó đó, Irms = 0.46 A là dòng từ hóa ở phía 
sơ cấp.
At/m259300864.0 mH
Ví dụ
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Trường hợp MBA có xét từ thông tản và điện trở các cuộn dây. Thông 
số phía thứ cấp được nhân với hệ số a (= N1/N2) và i2 được thay bởi i2/a, 
Mạch tương đương của MBA,
RL
N1:N2
+
–
+
–
i1 i2
v1 v2 a
2RL
a2R2
aM
i1 i2/a
R1
L1 – aM a
2L2 – aM
v1 av2
–
+
–
+
 L1 – aM là chỉ điện cảm tản của cuộn dây 1, a
2L2 – aM chỉ điện cảm tản của 
cuộn 2 qui về phía cuộn 1.. aM là điện cảm từ hóa, dòng điện qua nó được gọi là
dòng từ hóa.
Mạch điện tương đương của MBA có lõi tuyến tính
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Tổn hao trong lõi từ gây ra bởi hiện tượng từ trễ và dòng điện xóay. 
Những tổn hao này rất khó để phân tích tính toán, chúng phụ thuộc vào 
giá trị của Bm. Một điện trở đặt song song với điện cảm từ hóa aM để đại 
diện cho tổn hao này.
RL
Ideal
N1:N2
+
–
+
–
i1 i2
v1 v2
+
–
av2
R1
L1 – aM
Rc1 (aM)1
a2R2
a2L2 – aM
 Tải RL, các điện áp và dòng tải có thể qui đổi về phía thứ cấp để được 
dạng như MBA lý tưởng.
Mạch điện tương đương của MBA có lõi tuyến tính (tt)
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Ở xác lập, trở kháng và vector pha có thể được dùng trong 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



 Điện kháng tản của cuộn 1
Điện kháng từ hóa qui đổi về cuộn 1
Điện kháng tản của cuộn 2
Điện kháng tản của cuộn 2 qui đổi về phía 1
MBA ở trạng thái xác lập
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Tất cả các đại lượng có thể được qui đổi về phía cuộn 1
a2ZL
+
–
+
–
R1
jxl1
Rc1 jXm1
a2R2
ja2xl2
1I
1V 2Va
aI 2
ZL
+
–
+
–
R1/a
2 jxl1/a
2
Rc1/a
2 jXm1/a
2
R2
jxl2
1Ia
aV1 2V
2I
 Hoặc chúng có thể được qui đổi về phía cuộn 2
MBA ở trạng thái xác lập (tt)
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Nhánh từ hóa làm việc tính toán trở nên khó khăn hơn, vì thế nhánh 
này có thể được di chuyển về phía cuộn 1, ta được mạch tương đương 
gần đúng.
R1
1I+
–
Rc1 jXm11
V a2ZL
+
–
jxl1 a2R2
ja2xl2
2Va
aI2
R1eq
1I+
–
Rc1 jXm11
V a2ZL
+
–
jx1eq
2Va
aI2
2
2
11
2
2
11
lleq
eq
xaxx
RaRR
Mạch điện tương đương
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Các thông số của mạch tương đương được xác định bằng 2 thí
nghiệm đơn giản: thí nghiệm không tải và thí nghiệm ngắn mạch.
 Với MBA công suất, các cuộn dây được gọi là cuộn cao áp HV và hạ
áp LV.
A
V
W
ocV
LV HV
Thí nghiệm không tải
ocV
Rc Xm
RI XI
ocI
Mạch tương đương không tải
Thí nghiệm không tải và ngắn mạch của MBA
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Thiết bị đo đặt phía hạ áp, cuộn cao áp hở mạch. Điện áp định mức 
được cấp cho cuộn hạ áp. Đo Voc, Ioc, và Poc.
oc
oc
c
P
V
R
2
c
oc
R
R
V
I 
XRoc III 
Ta được,
22
RocX III 
X
oc
m
I
V
X 
 Rc và Xm là các giá trị qui đổi về hạ áp.
ocV
Rc Xm
RI XI
ocI
Thí nghiệm không tải
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Thiết bị đo đặt phía cao áp. Dòng định mức được cấp cho cuộn cao 
áp. Đo Vsc, Isc, và Psc.
 Req và Xeq được qui đổi về phía cao áp.
A
V
W
scV
HV LV
Req Xeq
scV
scI
2
sc
sc
eq
I
P
R 
sc
sc
eq
I
V
Z 22 eqeqeq RZX 
Thí nghiệm ngắn mạch
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 VD. 3.9: Cho các thông số của thí nghiệm không tải và ngắn mạch. 
Tìm thông số mạch tương đương qui đổi về phía cao áp.
Từ thí nghiệm không tải
Từ thí nghiệm ngắn mạch
 968
50
220
2
cR A 227.0
968
220
 RI
 A 974.0227.01 22 XI  9.225974.0
220
mX
 2076.0
17
60
2eq
R
 882.0
17
15
eqZ
 8576.02076.0882.0 22eqX
Ví dụ
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Hiệu suất được định nghĩa là tỉ số giữa công suất ra với công suất vào
 Độ thay đổi điện áp
%100%100 
icout
out
out
out
in
out
PPP
P
lossesP
P
P
P

Các tổn hao gồm tổn hao đồng Pc và tổn hao sắt Pi.
 Nếu biết công suất vào,
%100 
in
icin
P
PPP

%100regulation voltage%
load
loadload no 
V
VV
Hiệu suất và độ thay đổi điện áp
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Bài tập 3.22 và 3.23.
Bài tập