Bài giảng Biến đổi năng lượng điện cơ - Chương 1, 2
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
1
Sản xuất,Truyền tải và Phân Phối Điện Năng
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
2
Page
Hệ Thống Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ
Hệ Thống Biến Đổi Năng Lượng Điện Æ Cơ
- Chuyển động thẳng, ví dụ rơ le, công tắc tơ
- Chuyển động quay, ví dụ động cơ điện
Hệ Thống Biến Đổi Năng Lượng Cơ Æ Điện
Ví dụ máy phát điện
Hệ Thống Biến Đổi Năng Lượng Tĩnh
Ví dụ máy biến điện áp
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
3
• Quan hệ trong mạng 2 cực
• Công suất phức
• Bảo toàn công suất phức
• Công suất mạch 3 pha
• Các đại lượng pha tương đương
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
4
Page
• Quan hệ trong mạng 2 cực
• Công suất phức
• Bảo toàn công suất phức
• Công suất mạch 3 pha
• Các đại lượng pha tương đương
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
5
Mạng 2 cực
• Những thiết bị trao đổi năng lượng/tín hiệu
qua một cặp cực gọi là mạng một cửa hay
mạng 2 cực (two-terminal network).
• Phương trình trạng thái là phương trình mô tả hành vi, phản ứng của
mạng 2 cực thông qua các biến trạng thái.
Ví dụ cặp biến trạng thái dòng và áp (i, v) trên 2 cực trong
các động cơ, máy phát điện, đồng hồ đo, …
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
6
Page
Mạng 2 cực
Do năng lượng điện thường sử dụng là nguồn
điện áp dạng sin, tần số 50Hz
Æ xét điện áp và dòng điện hàm sin
v t =V cos ωt +θ = 2V cos ωt +θ
(
m
v
rms
v
i t = I cos ωt +θ = 2I cos ωt +θ
(
m
i
rms
i
θv, θi là các giá trị góc pha ban đầu
Vm
Im
Vrms
=
, Irms =
là các giá trị hiệu dụng
2
2
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
7
Véc tơ pha
Biểu diễn bằng véc tơ pha
V = Vrms ∠θv
I = Irms ∠θi
đối số/góc pha
suất véc tơ/độ lớn
(trị hiệu dụng)
V
I
+
+
I
V
θv
θi
θi
θv
Dòng điện chậm pha
Tải cảm
Dòng điện sớm pha
Tải dung
Hệ số công suất trễ
Hệ số công suất sớm
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
8
Page
Công suất
Nếu chọn gốc thời gian: t=0, I=Im
v t =V cos ωt +θ −θ , i t = I cos ωt
( )
(
)
( )
)
m
v
i
m
Công suất tức thời của mạng 2 cửa:
p t = v t i t =V I cos ωt +θ −θ cos ωt
( )
( ) ( )
(
)
)
m
m
v
i
VmIm
VmIm
=
cos θ −θ
+
cos 2ωt +θ −θ
(
)
(
)
v
i
v
i
2
2
Vm Im
p(t) =
cos θ −θ
v i
(
)
2
Vm Im
+
cos 2ωt cos θ −θ
v i
(
)
(
)
2
Vm I
−
m sin 2ωt sin θ −θ
v i
(
)
(
)
2
giá trị trung bình P của p(t)≠0
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
9
Công suất tác dụng
• Giá trị trung bình của p(t) (trong 1 chu kỳ, T=2π/ω)
gọi là công suất trung bình hay công suất tác dụng hoặc
công suất thực P:
T
1
P =
p(t)dt
∫
0
T
Vm Im
P =
cos θ −θ =Vrms Irms cos θ −θ =Vrms Irms cosθ =VI cosθ
(
)
(
)
v
i
v
i
2
9 Các thuật ngữ
V
• Vrms và Irms là các giá trị hiệu dụng (root mean square)
của điện áp và dòng điện, thường ký hiệu V và I.
• θ= θv − θi: góc hệ số công suất (góc lệch pha u, i)
• cos(θ): hệ số công suất (power factor, pf).
+
I
θ
θv
θi
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
10
Page
Ví dụ
¾Ví dụ 2.1: viết dạng véc tơ pha của v(t) và i(t), và tính giá
trị công suất trung bình P
v t = 2.10cos ωt + 300
( )
)
i t = 2.5cos ωt − 200
( )
)
V =10∠300
Ö
Ö
I = 5∠ − 200
P =V.I.cos(θ −θ ) = 10 5 cos(30 − −20 ) = 32,14 W >0
))
)
v
i
Æ Mạng hai cực tiêu thụ công suất trung bình 32,14 W
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
11
Ví dụ
¾ Ví dụ 2.2: tính lại giá trị công suất trung bình P với:
v t = 2.10cos ωt + 300
i t = 2.5cos ωt −900
( )
)
P = 10 5 cos 1200 = −25 W < 0
(
)( )
)
Æ Mạng hai cực phát ra công suất trung bình 25W
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
12
Page
Công suất phản kháng
Viết lại công suất tức thời của mạng 2 cửa:
p(t) = v(t)i(t) =Vrms Irms cos(θ) +Vrms Irms cos(θ)cos(2ωt) −Vrms Irms sin(θ)sin(2ωt)
• Ta đã có định nghĩa công suất tác dụng
P =Vrms Irms cosθ
• Định nghĩa công suất phản kháng
Q =Vrms Irms sinθ
9 Viết lại công suất tức thời:
p
(
t
)
(
= P + Pcos 2ωt
)
− Qsin
2ωt
)
= P
1+ cos
2ωt
)
]
− Qsin
2ωt
)
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
13
Công suất phức
• Biểu diễn dạng phức các đại lượng điện :
V = Vrms e jθ
P = Re V ⋅ I * =V Irms cosθ
I = Irms e jθ
v
i
θ =θv −θi
(
)
rms
Q = Im V ⋅ I * =V Irms sinθ
(
)
rms
• Định nghĩa công suất phức
S = V ⋅ I * = P + jQ
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
14
Page
Công suất
Các đại lượng điện xoay chiều thường được cho bằng giá trị hiệu
dụng, nên để đơn giản ta bỏ chỉ số rms.
tên gọi
ký hiệu và công thức
đơn vị đo
công suất biểu kiến
i S = S = P + jQ =VI
i P =VI cosθ
i Q =VI sinθ
Volt-Amperes (VA)
Watts (W)
công suất tác dụng
công suất phản kháng
Volt-Ampere
phản kháng (VAr)
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
15
Tính công suất
Nếu mạng 2 cực N là tổng trở Z:
Z = R + jX
theo định luật Ohm, ta có
V = ZI
S =V I* = Z I I* = I2Z = I2 R + jX = P + jQ
(
)
Vậy,
Q = I2 X
P = I2R
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
16
Page
Mạch thuần trở
Xét mạch thuần trở,
tổng trở Z = R, góc θ=0
V (ω) =V∠0 I(ω) = I
V (ω)
I(ω)
V
I
Z =
=
∠0 = R
• Công suất tác dụng P=VI=I2R=V2/R
• Công suất phản kháng Q=0
• Công suất biểu kiến S=P
¾ Dùng điện năng kế hay đồng hồ Watt-giờ đo được
năng lượng điện sử dụng=công suất tác dụng * giờ
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
17
ví dụ cuộn cảm L
Mạch cảm kháng
di
dt
u = L
Xét mạch cảm kháng,
tổng trở Z =jωL, góc θ=90o
U
I =
ωL
V (ω) =V∠90° I(ω) = I
∠90°
V (ω)
I(ω)
V
I
Z =
=
• Công suất tác dụng P=0
• Công suất phản kháng Q=VI=I2 ωL
• Công suất biểu kiến S=Q
¾ Cuộn cảm L không tiêu thụ công suất tác dụng, vì năng lượng
được tích trữ trong từ trường, và sau đó được trả về mạch trở lại.
Q>0: cuộn L “nhận” công suất phản kháng.
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
18
Page
ví dụ tụ điện có điện dung C
Mạch dung kháng
du
i = C
dt
Xét mạch dung kháng,
tổng trở Z= -j/(ωC, góc θ=-90o
I
U =
ω C
V (ω) =V∠−90° I(ω) = I
∠ −90°
V (ω)
I(ω)
V
I
Z =
=
• Công suất tác dụng P=0
• Công suất phản kháng Q=-VI=-I2/(ωC)
• Công suất biểu kiến S=Q
¾ Tụ điện C không tiêu thụ công suất tác dụng, vì năng lượng được
tích trữ trong điện trường, và sau đó được trả về mạch trở lại.
Q<0: tụ C “phát” công suất phản kháng.
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
19
Ý nghĩa công suất tác dụng và phản kháng
• Công suất tác dụng là công suất (tiêu thụ) của thành phần điện trở R
Công suât tác dung = P =VI cos(θ)
• Công suất phản kháng: công suất do cuộn cảm (tụ điện) nhận (trả) trong
một nửa chu kỳ, sau đó trả (nhận) lại vào (từ) mạch điện ở nửa chu kỳ kế
tiếp.
công suât phan kháng = Q =VI sin(θ)
Góc θ=90o
Góc θ=-90o
Công suất phản kháng
Q=-VI=-I2/(ωC)
Công suất phản kháng
Q=VI=I2 ωL
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
20
Page
Một số thuật ngữ khác liên quan đến công suất
• Góc hệ số công suất ≡θ (có thể ký hiệu là góc φ)
θ= θv − θi
• Hệ số công suất (power factor, pf)≡cosθ (có thể gọi là cosφ)
- Tải cảm khi θ>0, dòng điện chậm pha so với điện áp
θ>0Æ sin θ>0 Æ Q>0, ie công suất phản kháng bị hấp thu (nhận)
- Tải dung khi θ<0, dòng điện sớm pha so với điện áp
θ<0Æ sin θ<0 Æ Q<0, ie công suất phản kháng được phát ra (trả)
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
21
Ví dụ
¾ Ví dụ 2.4: Xác định công suất phức của đại lượng điện có v(t)
và i(t) đi qua:
v t = 2.10cos ωt +100
( )
)
i t = 2.20sin ωt + 700
( )
⇒V =10∠100
i t = 2.20cos ωt + 700 −900
( )
)
⇒ I = 20∠ − 200
Công suất phức:
S = VI * = 10∠100 20∠200 = 200∠300 =173,2 + j100 VA
(
) (
)
P =173,2 W
Q =100 VAR
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
22
Page
Tam giác tổng trở phức
Tam giác tổng trở phức
Điện kháng
Điện trở
Chú ý: θ = θV - θI
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
23
Tam giác công suất phức
Tam giác công suất phức
S =VI
|S| = biểu kiến
đơn vị: Volt-Amps
Q =VI sinθ
Q = phản kháng
đơn vị: VArs
P =VI cosθ
P = tác dụng
Đơn vị: Watts
θ= θV - θI
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
24
Page
Ví dụ
¾ Ví dụ 2.7: Vẽ tam giác công suất
*
S =VI* = 100∠100 10∠ − 26.80 =1000∠36.80 = 800+ j600 VA
(
)(
)
Với
Q = 600 VAR
P = 800 W
S =1000 VA
Vì Q > 0, dòng chậm pha hơn
áp nên tải có tính cảm.
Q = 600
VAR
36.80
P = 800 W
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
25
Sự Bảo Toàn Công Suất
• Với mạch nối tiếp
S =V ⋅ I * =
(
V1 +V2 +...+Vn
)
I * = S1 + S2 +...+ Sn
• Với mạch song song
*
S =V ⋅ I * =V
(
I1 + I2 +...+ In = S1 + S2 +...+ Sn
)
• Như vậy công suất phức tổng sẽ bằng tổng các công suất phức
thành phần, với 2 thành phần P tổng và Q tổng được xác định bởi:
P = P + P + ...+ P
Q = Q1 + Q2 + ...+ Qn
1
2
n
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
26
Page
Mô tả công suất của tải
• V
• I
Công suất của tải được thể hiện
• cosθ
• S
qua 3 trong số 6 thông số:
• P
• Q
S =VI = P2 + Q2
3 thông số còn lại
được tính thông
qua ba quan hệ:
P =VI cosθ
Q = VI sinθ
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
27
• Quan hệ trong mạng 2 cực
• Công suất phức
• Bảo toàn công suất phức
• Công suất mạch 3 pha
• Các đại lượng pha tương đương
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
28
Page
Hệ Thống Ba Pha
Khái niệm về hệ thống ba pha
- Hệ thống ba pha gồm nguồn ba pha và tải ba pha
- Nguồn ba pha gồm 3 nguồn sức điện động một pha
Mô hình nối nguồn ba pha với tải
• Cho ba nguồn một pha và ba tải một
pha riêng biệt
a’
b’
a
b
Nối sao (Y) hoặc tam giác (∆)
3 nguồn một pha và 3 tải một pha.
c’
c
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
29
Nối Sao và Nối Tam Giác
Mô hình nối nguồn ba pha với tải (tt)
• Nối sao:
Y/Y
a
a’
b’
a
b
b
c
a’≡b’ ≡c’≡n
n: điểm trung tính
c’
c
∆/∆
• Nối tam giác:
c’
a
a’
b’
a
b
a’
c
b
b’
c’
c
• Tương tự Y/ ∆ và ∆/ Y
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
30
Page
Sơ Đồ Thực Tế Hệ Thống Ba Pha
Trong thực tế, hệ thống ba pha Y-Y cân bằng bao gồm:
Tổng trở đường dây
Tổng trở nguồn
• nguồn điện ↔ tổng trở nguồn Zs
• đường dây ↔ tổng trở đường dây Zl
• tải ↔ tổng trở tải ZL
Tổng trở tải
Giải gần đúng: xem nguồn điện là lý tưởng
Æ bỏ qua tổng trở nguồn và đường dây.
(trong thực tế, tổng trở nguồn điện và đường dây << tổng trở tải)
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
31
Điện áp pha và véc tơ pha nguồn điện đấu sao
a
ia
Điện áp pha tức thời của pha a, b và c bằng với
+
−
van
eA
nguồn sức điện động tương ứng.
n
in
ib
c
van = eA vbn = eB vcn = eC
b
ic
Vcn
• Nếu nguồn điện ba pha cân bằng
Van = Vφ ∠00
Vbn = Vφ ∠ −1200
v =V cos ωt
(
an
m
Van = Vφ ∠00
v =V cos ωt −1200
(
)
)
bn
m
Vcn = Vφ ∠1200
Vbn
v =V cos ωt +1200
(
cn
m
Với VΦ (hoặc ký hiệu Vp) là điện áp pha Ξ điện áp giữa dây pha và dây trung tính (đấu Y)
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
32
Page
Thứ Tự Pha
Thứ tự pha
Van = Vφ ∠00
a
c
b
Vbn = Vφ ∠ −1200
Vcn = Vφ ∠1200
Vcn
Van
Thứ tự pha thuận: a-b-c (theo thứ tự
xuất hiện các giá trị đỉnh trên đồ thị
theo thời gian)
Vbn
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
33
Thứ Tự Pha
Thứ tự pha
Ví dụ: xác định thứ tự pha của hệ thống sau:
van = 200cos(ωt +10°)
vbn = 200cos(ωt − 230°)
vcn = 200cos(ωt −110°)
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
34
Page
Điện Áp Dây
a
ia
Điện áp dây: điện áp giữa các dây pha
Vab = Van −Vbn
+
−
n
van
vab
in
ib
Vbc = Vbn −Vcn
Vca = Vcn −Van
c
b
ic
Ví dụ: tính điện áp dây theo điện áp pha
Vcn
Vab
300
= 3Vφ
)
Vca
Vab = 2Vφ cos
(
Vab = 3Vφ ∠300
Van = Vφ
Vbc = 3Vφ ∠ − 900
Vca = 3Vφ ∠1500
Vbn
Vbc
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
35
Quan hệ giữa các điện áp
Do hệ thống nguồn điện ba pha cân bằng
Vcn
Vab
Vca
Van +Vbn +Vcn = 0
Vab +Vbc +Vca = 0
Van
Vbn
Vbc
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
36
Page
Dòng điện hệ thống ba pha
Vcn
Ic
ia
Van
Ib
ib
Hệ thống 3 pha,
Ia
4 dây
Vbn
ic
in
ia, ib, và ic là các dòng điện dây, cũng là dòng điện pha trong mạch đấu sao.
in là dòng điện dây trung tính.
Ia + Ib + Ic = In
Theo KCL
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
37
Dòng điện hệ thống ba pha cân bằng
ia
Nếu thêm điều kiện nguồn và
tải ba pha cân bằng:
ib
Ia = IL∠00
ZL1 = ZL2 = ZL3 = Z ∠θ
ic
in
Ia = IL∠00 −θ
Ib = IL∠ −1200 −θ
Vcn
Ic = IL∠1200 −θ
Ic
Ö
Ia + Ib + Ic = In = 0
θ
Van
Ib
Ia
Vbn
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
38
Page
Nguồn điện ba pha đấu tam giác
Quan hệ giữa các điện áp
a
c’
a
Điện áp dây bằng với nguồn sức điện động
tương ứng (và cũng bằng điện áp pha VΦ).
Vab =VL =Vφ
vab = eA vbc = eB vca = eC
Theo KVL:
a’
c
c
b’
b
b
vab(t) + vbc(t) + vca(t) = 0
Vca
Nếu hệ thống nguồn điện ba pha cân bằng
Vab =VL∠00
Vab =VL∠00
Vbc =VL∠−1200
Vca =VL∠1200
Vbc
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
39
Nguồn điện ba pha đấu tam giác
ia
Quan hệ giữa các dòng điện
a
c’
a
Vab =VL =Vφ
• Dòng điện pha và dòng điện dây
i1
. I1, I2 và I3 dòng điện pha (dòng điện
trong mạch tam giác tải hoặc tam giác
nguồn).
i2
i3
a’
c
c
ib
b’
b
b
ic
Vca
. Ia, Ib và Ic: dòng điện dây
I3
• Các quan hệ
Ia = 3Iφ∠−300 −θ
Ib = 3Iφ ∠ −1500 −θ
Ic = 3Iφ∠900 −θ
θ
Ia = I1 − I3
Ib = I3 − I2
Ic = I2 − I1
Vab
I2
I1
Ia
Vbc
θ: góc lệch pha giữa dòng điện pha và điện áp,
IΦ: giá trị hiệu dụng dòng điện pha
Nguồn điện đấu với tải ba pha cân bằng.
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V3
40
Page
Tải về để xem bản đầy đủ
25 trang
24440
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Biến đổi năng lượng điện cơ - Chương 1, 2", 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_chuong_1_2.pdf
