Bài giảng Biến đổi năng lượng điện cơ - Bài giảng 1 - Nguyễn Quang Nam
408001
Biến đổi năng lượng điện cơ
Giảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam
2012 – 2013, HK2
Bài giảng 1
1
Giới thiệu về hệ thống điện – Tổng quan
‹
Bốn phần tử cơ bản trong m
ột h
ệ
thống
đ
iệ
n: h
ệ
thống
phát
điệ
n, hệ
th ng truy n tải, h
ố
ề
ệ
th
ố
ng phân ph
ố
i, và t
ải
Khách
hàng CN
Kh/hàng
dân dụng
Khách
hàng TM
Khách
hàng sỉ
Nguồn
phát
Hệ thống
truyền tải
Hệ thống
truyền tải phụ
Hệ thống
phân phối
Bài giảng 1
2
Tổng quan (tt)
‹ Nguồn phát: gồm các nhà máy nhiệt điện (than, khí tự
nhiên, dầu, ...), thủy điện (nước – tái sinh), điện hạt nhân (an
toàn nghiêm ngặt).
‹ Điện áp tại đầu ra của các nguồn phát được nâng lên để
thuận tiện cho việc truyền tải qua các hệ thống truyền tải và
truyền tải phụ.
‹ Các khách hàng sỉ và một số khách hàng công nghiệp
mua điện tại các trạm trung áp (34 kV).
Bài giảng 1
3
Tổng quan (tt)
‹
Hệ
th
ố
ng phân ph
ố
i tiế
p t
ục hạ
cấp
đi
ện áp và phân ph
ối
đi
ệ
n n ng đến các khách hàng thương m
ă
ại và dân dụng.
‹
Bi
nh ng h
(circuit breaker), động c
ế
n
đổi n
ă
ng lượng
đ
i
ệ
n cơ đóng vai trò chính trong
n: máy phát (generator), máy ng
(motor), máy bi n áp (transformer).
ữ
ệ
thố
ng thành ph
ầ
ắt
ơ
ế
Bài giảng 1
4
Quá trình phi tập trung hóa ngành điện
‹ Phân loại các tổ chức: công ty phát điện, công ty truyền tải,
công ty phân phối, và nhà điều hành độc lập hệ thống (ISO).
. . .
Cty phát điện
Cty phát điện
Nguồn phát
Truyền tải
và
Phân phối
Nhà ĐH
độc lập
hệ thống
Truyền tải
và
Phân phối
. . .
Khách hàng
Khách hàng
Nhà kinh doanh thị trường
Bài giảng 1
Khách hàng
5
Động học hệ thống điện và các phần tử
‹
Toàn b
i m t hệ phương trình vi phân dưới d
ạng thái)
ộ
h
ệ
th
ố
ng
đ
i
ệ
n là m
ộ
t h
ệ
th
ố
ng động, được mô t
ả
bở
ộ
ạng (không gian
tr
&
x = f
x,u
v
ớ
i vect
vect n và r chi
gian c
giây (
ơ
tr
ạ
ng thái x và vectơ ngõ vào u tương ứng là các
u. Kích thước c a x là r t l n, và khung th
ng tr i t vài miligiây (quá độ điện t ), đến vài
n t n s ), ho c vài giờ (động c i h i).
ơ
ề
ủ
ấ
ớ
ời
ủ
a
đ
áp
ứ
ả
ừ
ừ
đ
i
ề
u khi
ể
ầ
ố
ặ
ơ
nồ
ơ
Bài giảng 1
6
Động học hệ thống điện và các phần tử (tt)
‹ Việc mô hình hóa hệ thống dựa vào các nguyên tắc vật lý
và dạng tĩnh của các phương trình Maxwell là một bước
quan trọng trong quá trình phân tích hệ thống về đáp ứng
trong miền thời gian, đáp ứng xác lập hình sin, điểm ổn định,
tính ổn định, ...
Bài giảng 1
7
Hệ thống điện cơ
‹ Môn học xem xét hai loại hệ thống điện cơ: hệ thống
tịnh tiến và hệ thống quay. Hệ thống tịnh tiến được dùng
trong các rơle điện cơ, và cơ cấu chấp hành, và thường
dễ phân tích.
‹ Các hệ thống quay thường phức tạp hơn, do đó việc
phân tích được dừng lại ở phân tích xác lập hình sin
bằng giản đồ vectơ và mạch tương đương.
Bài giảng 1
8
Hệ thống điện cơ (tt)
‹ Khi mạch tương đương đã được rút ra, các khía cạnh
cơ học cũng sẽ được thể hiện trong đó. Việc này được
thực hiện cho các loại máy điện đồng bộ, không đồng
bộ, và một chiều. Các máy điện một pha chỉ được phân
tích định tính.
Bài giảng 1
9
Ôn tập về công suất
‹
Giả thiết điện áp và dòng điện hình sin, nghĩa là
v
t
=Vm cos
ω
t +θv
i
t
= Im cos
ω
t +θi
‹
‹
Công suất tức thời cho bởi (i = Im khi t = 0)
p
t
= v
t
i
t
=Vm Im cos
ω
t +θv
−
θi
cos ωt
Công suất trung bình trong khoảng thời gian T
1 T
1 T
( )
( ) ( )
p t dt = v t i t dt
P =
∫
∫
T
T
0
0
Bài giảng 1
10
Ôn tập về công suất (tt)
‹ Công suất trung bình (thực hay tác dụng) trong 1 chu kỳ T
= 2π/
ω
Vm Im
P =
cos
(
θv
−
θi
)
=Vrms Irms cos
(
θv
−
θi
)
2
với Vrms và Irms tương ứng là điện áp và dòng điện hiệu
dụng. θv − θi được gọi là góc hệ số công suất, và cos(θ)
θ
=
được gọi là hệ số công suất (PF).
Bài giảng 1
11
Ôn tập về vectơ pha
‹
vect pha, ch ng h
Các đại lượng hình sin có thể được bi
ểu diễn ở dạng
ơ
ẳ
ạn
V = Vrms ∠θv
I = Irms ∠θi
Góc pha
Biên độ
Hệ số công suất trễ
Hệ số công suất sớm
V
I
+
+
V
I
θi
θv
θi
θv
Tải cảm có hệ số công suất trễ, và tải dung có hệ số công suất sớm.
Bài giảng 1
12
Ví dụ tại lớp
‹ Vd. 2.1: Biểu diễn v(t) và i(t) đã cho ở dạng vectơ và tìm
công suất trung bình P
v
t
= 210cos
= 25cos
ω
t + 300
t − 200
⇒ V = 10∠300
i
t
ω
⇒ I = 5∠ − 200
0
(HSCS trễ)
θi = 30 − − 20 = 50
θ
= θv −
P =
10
5
cos
500
= 32,14 W
Bài giảng 1
13
Ví dụ tại lớp (tt)
‹
Vd. 2.2: Tính lại công suất trung bình P với dòng điện i(t)
m
ới
i
t
= 25cos
ω
t −900
⇒ I = 5∠ −900
1200
= −25 W
(phát công su
ất!)
P =
10
5
cos
‹
Chú ý quy ước công suất: công su
ấ
t dương cho t i, công
ả
suất âm cho ngu n.
ồ
Bài giảng 1
14
Ôn tập về công suất phức
‹ Định nghĩa công suất phản kháng bởi
Vm Im
Q =
sin
(
θv
−
θi
)
= Vrms Irms sin
(
θv
−
θi
)
2
‹ Công suất tức thời có thể được biểu diễn
p
t
= P + Pcos
2
ω
t
− Qsin
2
ω
t
= P 1+ cos
2
ω
t
− Qsin
2
ω
t
θi
I = Irms e j
θv
V = Vrms e j
‹ Vì
và
P = Re
Q = Im
, có thể thấy
V ⋅ I *
V ⋅ I *
=Vrms Irms cos
=Vrms Irms sin
θv
−
−
θi
θi
θv
Bài giảng 1
15
Ôn tập về công suất phức (tt)
‹
Công suất ph
ứ
c
được
định ngh
ĩa là
S =
V ⋅ I *
= P + jQ
‹
Khi tính toán công su
ất, các giá tr
ị
hiệu dụng luôn luôn
được dùng. Do
trong các ký hi
đ
ó, từ đây về sau s
ẽ
không ghi chỉ số
rms
ệ
u
P = VI cos Q = VI sin
S =VI
n c a công suất phức là
θv
−
θi
θv
−
θi
‹
Và độ
lớ
ủ
Bài giảng 1
16
Ôn tập về công suất phức (tt)
‹ Để phân biệt S, P, và Q, các đơn vị của chúng lần lượt là
voltamperes (VA), watts (W), và voltampere reactive (VAR).
‹ Các dạng khác của công suất phức
Z = R + jX
V = ZI
S = ZII * = I 2 Z = I 2
R + jX = P + jQ
Do đó
P = I 2 R
Q = I 2 X
Bài giảng 1
17
Ví dụ tại lớp
‹
Vd. 2.4: Tìm công suất ph
ứ
c v
ới v(t) và i(t) đã cho
v
t
= 210cos
ω
t +100
t + 700
⇒V =10∠100
⇒ I = 20∠ − 200
i
t
= 220sin
ω
S =
VI *
=
10∠100 20∠200
= 200∠300 =173,2 + j100 VA
Q =100 VAR
P =173,2 W
Bài giảng 1
18
Ví dụ tại lớp
‹ Vd. 2.5: Với mạch trong hình 2.5, tính công suất phức của
từng nhánh, công suất phức toàn mạch, công suất thực và
phản kháng của từng nhánh và toàn mạch.
V1
50∠90°
I1 =
I2 =
=
Z1 100 + j100
= 0,354∠45° A
V1 50∠90°
=
Z2 50 − j50
= 0,707∠135° A
S1 =V1I1* = 50∠90°×0,354∠ − 45° =17,68∠45° VA
S2 =V1I2* = 50∠90°×0,707∠ −135° = 35,35∠ − 45° VA
Bài giảng 1
19
Ví dụ tại lớp
‹
Vd. 2.5 (tt):
Công su t ph
ST = S1 + S2 = 37,5− j12,5 = 39,53∠18,43° VA
ấ
ức toàn mạch:
Công suất th
ự
c trên các nhánh:
P =100×0,3542 =12,5 W
100
P = 50×0,7072 = 25 W
50
Công suất th
ự
c toàn mạch:
P = P + P = 37,5 W
100
50
Bài giảng 1
20
Ví dụ tại lớp
‹ Vd. 2.5 (tt):
Công suất phản kháng trên các nhánh:
Q100 =
Q50 =
100
×0,3542 =12,5 VAR
−50
×0,7072 = −25 VAR
Công suất phản kháng toàn mạch:
Q = Q100 + Q50 = −12,5 VAR
Bài giảng 1
21
Bảo toàn công suất phức
‹
Trong m
ạch nối tiếp
*
S =V ⋅ I = V1 +V2 +...+Vn I
*
= S1 + S2 +...+ Sn
‹
Trong m
ạch song song
*
*
S =V ⋅ I = V I1 + I2 +...+ In
= S1 + S2 +...+ Sn
Bài giảng 1
22
Bảo toàn công suất phức (tt)
‹ Trong cả hai trường hợp trên, công suất phức tổng là
tổng các công suất phức thành phần. Hầu hết tải được nối
song song. Cũng có thể rút ra
P = P + P + ...+ P
n
Q = Q1 + Q2 + ...+ Qn
1
2
‹ Với các tải bao gồm cả nhánh song song và nối tiếp, lần
lượt áp dụng sự bảo toàn công suất cho các trường hợp nối
tiếp và song song, ta vẫn có sự bảo toàn công suất phức.
‹ Tam giác công suất: xem ví dụ 2.7
Bài giảng 1
23
Ví dụ tại lớp
‹
Vd. 2.7: Tìm công suất ph
ứ
c
ở
dạng tam giác công su
ất
*
S =VI * =
Do
100∠100 10∠ − 26,80
=1000∠36,80 = 800 + j600 VA
đ
ó
Q = 600 VAR
P = 800 W
VI =1000 VA
Vì
θ
> 0, dòng
đ
i
ệ
n ch
ậ
m pha so
Q = 600
VAR
36,80
vớ
i
đ
i
ện áp, và tải mang tính cảm.
P = 800 W
Bài giảng 1
24
Ví dụ tại lớp
‹ Vd. 2.8: Cho biết điện áp và dòng điện tải tiêu thụ. Xác định
công suất phức và biểu diễn ở dạng tam giác công suất
S =VI * =
100∠10°5∠ − 40°
= 500∠ −30° = 433− j250 VA
Do đó
Q = 250 VAr
P = 433W
P = 433 W
30º
VI = 500 VA
Q = 250
VAR
Vì
θ
< 0, dòng điện sớm pha so với
điện áp, và tải mang tính dung.
Bài giảng 1
25
Ví dụ tại lớp
‹
Vd. 2.9: Hai t
ả
i
ở
ví d
ụ
2.7 và
2
.8 được ghép song song
t ph c và dòng điện b
t.
nh
ư
trong hình 2.10. Tính công su
ấ
ứ
ằng
các phương pháp dòng nút và tam giác công su
ấ
Phương pháp dòng nút
Dòng
điện tổng
I = I1 + I2 =10∠ − 26,8°+ 5∠40° =12,82∠ −5,796° A
Công suất ph
ứ
c t
ổng
S =VI * = 100∠100
12,82∠5,796° =1282∠15,8° =1234 + j349 VA
Bài giảng 1
26
Ví dụ tại lớp
‹ Vd. 2.9 (tt):
Phương pháp tam giác công suất
S = S1 + S2 = (800 + j600) +
433− j250
=
(
800 + 433
)
+ j
(
600 − 250
)
=1233+ j350 VA
Q1 = 600 VAR
Q2 = -250 VAR
15,8º
P1 = 800 W
P2 = 433 W
Bài giảng 1
27
Ví dụ tại lớp
‹
Vd. 2.10: Kh
ả
o sát tiếp ví d
ụ
2.9. Xác định hệ số công suất
toàn m
ạ
ch, công suất ph
ả
n kháng c a b thêm vào để
ủ
ộ tụ
nâng PF lên 0,98, và lên 1.
Hệ
số
công suất c
ủa toàn m
ạch
tr
ễ
PF = cos
15,8° = 0,962
Khi l
i s
ngu
ắ
p thêm tụ điện vào, m
do tụ điện cung c p. Công su
n cung c p s là
ộ
t ph
ầ
n công su
ấ
t ph
ả
n kháng c
ủa
t
ả
ẽ
ấ
ấ
t ph n kháng mớ
ả
i mà
ồ
ấ
ẽ
Qnew = P
(
1/ PF
)
2 −1 =1233
(
1/0,98
2 −1 = 250 VAR
)
Bài giảng 1
28
Ví dụ tại lớp
‹ Vd. 2.10 (tt):
So với yêu cầu của tải là 350 VAR, còn một lượng công suất
phản kháng nữa (bằng giá trị chênh lệch giữa yêu cầu của tải
và đáp ứng từ nguồn) cần được cung cấp từ tụ điện.
Qcap = Qnew −Qold = 250 −350 = −100 VAR
Dấu trừ khẳng định tính dung của thiết bị mắc thêm vào.
Khi hệ số công suất tổng là 1, nguồn sẽ không cung cấp công
suất phản kháng, do đó
Qcap = Qnew −Qold = 0 −350 = −350 VAR
Bài giảng 1
29
Biểu diễn công suất của một tải
‹
Công su
p c a 3 trong
S, P, Q.
ấ
t tiêu th
ụ
b
ở
i t
ả
i có thể được bi
ể
u di
ễ
n b
ằ
ng m
m),
ột
t
ổ
hợ
ủ
6
đại lượng sau: V, I, PF (tr
ễ
hay s
ớ
‹
Nếu
và là cho trước, sẽ tương đương với cho trước
I
V
V, I, và PF.
‹
M
ột cách khác là cho biết V, PF, và P. Ba đại lượng còn
lạ
i
được tính theo:
P
I =
Q = VI sin
θ
S = P + jQ
V cos
θ
Bài giảng 1
30
Biểu diễn công suất của một tải (tt)
‹ Cách thứ ba là cho biết V, PF, và S: I được tính từ V và
S, sau đó Q có thể được tính từ S và PF
S
2
)
I =
Q = S 1−
(
PF
V
‹ Cách sau cùng là cho biết V, P, và Q: S được tính từ P và
Q, sau đó PF được tính từ P và S
P
S = P2 + Q2
PF =
S
Bài giảng 1
31
Các hệ thống 3 pha
‹ Điệ
n áp
ở
m
ỗi pha l
ệ
ch pha so vớ
i các pha khác 1200.
Với th
ứ
t
ự
thuậ
n (a-b-c), các
điện áp cho bởi
vaa' = Vm cos
ω
t
vbb' = Vm cos
vcc' = Vm cos
ω
t −1200
t +1200
ω
‹
Có hai cách nối 3 pha: cấu hình sao (Y) và cấu hình tam
giác (∆)
Bài giảng 1
32
Hệ thống 3 pha nối sao (Y)
Trong cấu hình sao, các đầu dây a’, b’, và c’ được nối với
nhau và được ký hiệu là cực trung tính n.
a
ia
ia, ib, và ic là các dòng điện dây,
+
−
cũng bằng với các dòng điện
n
in
ib
pha. in là dòng điện trong dây
c
b
trung tính.
ic
Bài giảng 1
33
Hệ thống 3 pha nối tam giác (∆)
Trong c
ấu hình tam giác, đầu a’ được nối vào b, và b’ vào c.
Vì vac’ = vaa’(t) + vbb’(t) + vcc’(t) = 0, nh
ư
có th
ể
chứng minh b ng
ằ
toán học, c’ được nối vào a.
ia
c’ a
ib
a’
c
b’
b
ic
Bài giảng 1
34
Các hệ thống 3 pha (tt)
‹ Các đại lượng dây và pha
Vì cả nguồn lẫn tải đều có thể ở dạng sao hay tam giác,
có thể có 4 tổ hợp: sao-sao, sao-tam giác, tam giác-sao,
và tam giác-tam giác (quy ước nguồn-tải).
Môn học chỉ xét đến điều kiện làm việc cân bằng của các
mạch điện 3 pha.
• Với cấu hình sao-sao, ở điều kiện cân bằng:
Van = Vφ ∠00
Vbn = Vφ ∠ −1200
Vcn = Vφ ∠1200
Bài giảng 1
35
Các hệ thống 3 pha (tt)
v
ớ
i Vφ là tr
Các n áp dây cho b
Vab = Van −Vbn
ng h n, độ
ị hiệu dụng của điện áp pha-trung tính.
đ
iệ
ởi
Vca = Vcn −Van
tính như sau
Vbc = Vbn −Vcn
Ch
ẳ
ạ
lớn c
ủ
a
có thể
Vab
Vcn
Vab = 2Vφ cos
300
= 3Vφ
th
Vab
Vca
T
ừ
gi
Vab = 3Vφ ∠300
Vca = 3Vφ ∠1500
ả
n
đồ vectơ, có th
ể
ấ
y
Van
Vbc = 3Vφ ∠ − 900
Vbn
Vbc
Ở điều kiện cân bằng, in = 0 (không có dòng điện trung tính).
Bài giảng 1
36
Các hệ thống 3 pha (tt)
• Cấu hình sao-tam giác, điều kiện cân bằng:
Không làm mất tính tổng quát, giả thiết các điện áp dây là
Vab =VL∠00
Vbc =VL∠ −1200
Vca =VL∠1200
Vca
Các dòng điện pha I1, I2, và I3 trong 3
nhánh tải nối tam giác trễ pha so với các
I3
điện áp tương ứng một góc
θ, và có cùng
Vab
độ lớn Iφ. Có thể thấy từ giản đồ vectơ
I2
I1
Ia = 3Iφ ∠ − 300 −
θ
Ib = 3Iφ ∠ −1500 −
θ
Ia
Ic = 3Iφ ∠900 −
θ
Vbc
IL = I
V = 3V
‹ Cấu hình Y:
IL = 3Iφ
φ và
φ , cấu hình ∆:
và
VL = Vφ
L
Bài giảng 1
37
Công suất trong mạch 3 pha cân bằng
‹
T
ả
i n
Trong m
ng nhau, và độ
chúng là Vφ và Iφ. Công su
P = Vφ Iφ cos
ố
i sao cân b
ằ
ng
ộ
t h cân b
ệ
ằ
ng, độ
l
ớ
n c
t cả dòng điện c
t m i pha khi ó sẽ
ủ
a t
ấ
t cả điện áp pha là
ng v y. G
là
bằ
lớ
n c
ủ
a t
ấ
ũ
ậ
ọi
ấ
ỗ
đ
θ
φ
P = 3P = 3Vφ Iφ cos
θ
= 3VL IL cos
θ
Công suất tổng là
T
φ
Sφ = Vφ Iφ* = Vφ Iφ ∠
θ
Công suất ph
ứ
c m
ỗi pha là
Và t
ổng công suất ph
ứ
c là
ST = 3Sφ = 3Vφ Iφ ∠θ = 3VL IL∠θ
Chú ý r
ằ
ng là góc pha gi
θ
ữ
a
đi
ện áp pha và dòng điện pha
Bài giảng 1
38
Công suất trong mạch 3 pha cân bằng (tt)
‹ Tải nối tam giác cân bằng
Tương tự như trường hợp tải nối sao cân bằng, công suất
mỗi pha và công suất tổng có thể được tính toán với cùng
công thức. Có thể thấy rằng với tải cân bằng, biểu thức tổng
công suất phức là giống nhau cho cả cấu hình sao lẫn tam
giác, miễn là điện áp dây và dòng điện dây được dùng trong
biểu thức.
Do đó, các tính toán có thể được thực hiện trên nền tảng 3
pha hay 1 pha.
‹ Vd. 2.12 và 2.13: xem giáo trình
Bài giảng 1
39
Ví dụ tại lớp
‹
Vd. 2.12: M
ng 0,8 tr
n dây và điện áp pha. Ch
V =V ∠0°
ạ
ch 3 pha cân b
n áp dây là 480 V. Xác định vect
n áp pha c a pha a làm
n các vect pha dòng n dây
c c a t i 3 pha.
ằ
ng có t
ả
i tiêu th
ụ
24 kW
ở PF
b
đ
g
ằ
ễ
.
Đi
ệ
ơ
pha dòng
i
ệ
ọ
n
đ
iệ
ủ
ố
c,
, hãy bi
ể
u di
ễ
ơ
điệ
an
φ
và điện áp dây. Xác định công su
ất ph
ứ
ủ
ả
Giá trị điện áp pha
480
Vφ =
= 277,1 V
3
Công suất tác d
ụng trên mỗi pha
P = 24/3 = 8 kW
φ
Bài giảng 1
40
Tải về để xem bản đầy đủ
24 trang
25900
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Biến đổi năng lượng điện cơ - Bài giảng 1 - Nguyễn Quang Nam", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_bien_doi_nang_luong_dien_co_bai_giang_1_nguyen_qua.pdf
