Bài giảng biến đổi năng lượng điện cơ chương 1 ppt

1Bài giảng 1 408001 Biến ñổi năng lượng ñiện cơ TS. Nguyễn Quang Nam HK2, 2009 – 2010 http://www4.hcmut.edu.vn/~nqnam/lecture.php nqnam@hcmut.edu.vn 2Bài giảng 1 Giới thiệu về hệ thống ñiện – Tổng quan  Bốn phần tử cơ bản trong một hệ thống ñiện: hệ thống phát ñiện, hệ thống truyền tải, hệ thống phân phối, và tải Khách hàng sỉ Khách hàng CN Khách hàng TM Kh/hàng dân dụng Nguồn phát Hệ thống truyền tải Hệ thống truyền tải phụ Hệ thống phân phối 3Bài giảng 1 Tổng quan (tt)  Nguồn phát: gồm các nhà máy nhiệt ñiện (than, khí tự nhiên, dầu, ), thủy ñiện (nước – tái sinh), ñiện hạt nhân (an toàn nghiêm ngặt).  ðiện áp tại ñầu ra của các nguồn phát ñược nâng lên ñể 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 ñiện tại các trạm trung áp (34 kV).  Hệ thống phân phối tiếp tục hạ cấp ñiện áp và phân phối ñiện năng ñến các khách hàng thương mại và dân dụng.  Biến ñổi năng lượng ñiện cơ ñóng vai trò chính trong những hệ thống thành phần: máy phát (generator), máy ngắt (circuit breaker), ñộng cơ (motor), máy biến áp (transformer). 4Bài giảng 1 Quá trình phi tập trung hóa ngành ñiện  Phân loại các tổ chức: công ty phát ñiện, công ty truyền tải, công ty phân phối, và nhà ñiều hành ñộc lập hệ thống (ISO). Nguồn phát Truyền tải và Phân phối Khách hàng Truyền tải và Phân phối Nhà ðH ñộc lập hệ thống Cty phát ñiệnCty phát ñiện Khách hàng Khách hàng Nhà kinh doanh thị trường . . . . . . 5Bài giảng 1 ðộng học hệ thống ñiện và các phần tử  Toàn bộ hệ thống ñiện là một hệ thống ñộng, ñược mô tả bởi một hệ phương trình vi phân dưới dạng (không gian trạng thái) ( ) uxfx , = & với vectơ trạng thái x và vectơ ngõ vào u tương ứng là các vectơ n và r chiều. Kích thước của x là rất lớn, và khung thời gian của ñáp ứng trải từ vài miligiây (quá ñộ ñiện từ), ñến vài giây (ñiều khiển tần số), hoặc vài giờ (ñộng cơ nồi hơi).  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 ñáp ứng trong miền thời gian, ñáp ứng xác lập hình sin, ñiểm ổn ñịnh, tính ổn ñịnh, 6Bài giảng 1 Hệ thống ñiện cơ  Môn học xem xét hai loại hệ thống ñiện cơ: hệ thống tịnh tiến và hệ thống quay. Hệ thống tịnh tiến ñược dùng trong các rơle ñiện cơ, và cơ cấu chấp hành, và thường dễ phân tích.  Các hệ thống quay thường phức tạp hơn, do ñó việc phân tích ñược dừng lại ở phân tích xác lập hình sin bằng giản ñồ vectơ và mạch tương ñương.  Khi mạch tương ñương ñã ñược rút ra, các khía cạnh cơ học cũng sẽ ñược thể hiện trong ñó. Việc này ñược thực hiện cho các loại máy ñiện ñồng bộ, không ñồng bộ, và một chiều. Các máy ñiện một pha chỉ ñược phân tích ñịnh tính. 7Bài giảng 1  Giả thiết ñiện áp và dòng ñiện hình sin, nghĩa là Ôn tập về công suất ( ) ( ) vm tVtv θ ω + = cos ( ) ( ) im tIti θ ω + = cos  Công suất tức thời cho bởi (i = I m khi t = 0) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ttIVtitvtp ivmm ω θ θ ω coscos − + = =  Công suất trung bình (thực hay tác dụng) trong 1 chu kỳ T = 2π/ ω ( ) ( ) ivrmsrmsiv mm IV IV P θθθθ −=−= coscos 2 với V rms và I rms tương ứng là ñiện áp và dòng ñiện hiệu dụng. θ = θ v − θ i ñược gọi là góc hệ số công suất, và cos( θ ) ñược gọi là hệ số công suất ( PF). 8Bài giảng 1 Ôn tập về vectơ pha Tải cảm có hệ số công suất trễ, và tải dung có hệ số công suất sớm.  Các ñại lượng hình sin có thể ñược biểu diễn ở dạng vectơ pha, chẳng hạn vrms VV θ ∠= irms II θ ∠= Góc pha Biên ñộ + V I v θ i θ Hệ số công suất trễ V I v θ i θ Hệ số công suất sớm + 9Bài giảng 1 Ví dụ tại lớp  Vd. 2.1: Biểu diễn v(t) và i(t) ở dạng vectơ và tìm công suất trung bình P ( ) ( ) 00 301030cos102 ∠=⇒+= Vttv ω ( ) ( ) 00 20520cos52 −∠=⇒−= Itti ω ( ) 0 502030 =−−=−= iv θθθ (HSCS trễ) ( ) ( ) ( ) W14,3250cos510 0 ==P  Vd. 2.2: Tính lại công suất trung bình P với i(t) mới ( ) ( ) 00 90590cos52 −∠=⇒−= Itti ω ( ) ( ) ( ) W25120cos510 0 −==P (phát công suất!) 10Bài giảng 1 Ôn tập về công suất phức  ðịnh nghĩa công suất phản kháng bởi ( ) ( ) ivrmsrmsiv mm IV IV Q θθθθ −=−= sinsin 2  Công suất tức thời có thể ñược biểu diễn ( ) ( ) ( ) ( ) [ ] ( ) tQtPtQtPPtp ω ω ω ω 2sin2cos12sin2cos − + = − + =  Vì và , có thể thấy v j rms eVV θ = i j rms eII θ = ( ) ( ) ivrmsrms IVIVP θθ −=⋅= cosRe * ( ) ( ) ivrmsrms IVIVQ θθ −=⋅= sinIm *  Công suất phức ñược ñịnh nghĩa là ( ) jQPIVS +=⋅= * 11Bài giảng 1 Ôn tập về công suất phức (tt)  Khi tính toán công suất, các giá trị hiệu dụng luôn luôn ñược dùng. Do ñó, từ ñây về sau sẽ không ghi chỉ số rms trong các ký hiệu  Và ñộ lớn của công suất phức là ( ) iv VIP θ θ − = cos ( ) iv VIQ θ θ − = sin VIS =  ðể phân biệt S, P, và Q, các ñơn vị của chúng lần lượt là voltamperes (VA) , watts (W), và voltampere reactive (VAR).  Các dạng khác của công suất phức jXRZ + = IZV = ( ) jQPjXRIZIIIZS +=+=== 22* Do ñó R I P 2 = XIQ 2 = 12Bài giảng 1 Ví dụ tại lớp  Vd. 2.4: Tìm công suất phức với v(t) và i(t) ñã cho ( ) ( ) 00 101010cos102 ∠=⇒+= Vttv ω ( ) ( ) 00 202070sin202 −∠=⇒+= Itti ω W2,173 = P  Vd. 2.5 và 2.6: xem giáo trình ( ) ( ) ( ) VA 1002,1733020020201010 000* jIVS +=∠=∠∠== VAR 100 = Q 13Bài giảng 1 Bảo toàn công suất phức  Trong mạch nối tiếp  Trong mạch song song  Công suất phức tổng là tổng các công suất phức thành phần. Hầu hết tải ñược nối song song. Sự bảo toàn công suất phức  Tam giác công suất: xem ví dụ 2.7 ( ) nn SSSIVVVIVS +++=+++=⋅= 21 * 21 * ( ) nn SSSIIIVIVS +++=+++=⋅= 21 * 21 * n PPPP + + + = 21 n QQQQ + + + = 21 14Bài giảng 1 Ví dụ tại lớp  Vd. 2.7: Tìm công suất phức ở dạng tam giác công suất  Vd. 2.8, 2.9 và 2.10: xem giáo trình P = 800 W Q = 600 VAR S = 1 0 0 0 V A 36,8 0 ( ) ( ) VA 6008008,3610008,261010100 000* jIVS +=∠=−∠∠== Do ñó W800 = P VAR 600 = Q VA 1000 = VI Vì θ > 0, dòng ñiện chậm pha so với ñiện áp, và tải mang tính cảm. 15Bài giảng 1 Biểu diễn công suất của một tải  Công suất tiêu thụ bởi tải có thể ñược biểu diễn bằng một tổ hợp của 3 trong 6 ñại lượng sau: V, I, PF (trễ hay sớm), S, P, Q.  Nếu và là cho trước, sẽ tương ñương với cho trước V, I, và PF V I  Một cách khác là cho biết V, PF, và P  Cách thứ ba là cho biết V, PF, và S: I ñược tính từ V và S, sau ñó Q có thể ñược tính từ S và PF θ cos V P I = θ sinVIQ = jQPS + =  Cách sau cùng là cho biết V, P, và Q: S ñược tính từ P và Q, sau ñó PF ñược tính từ P và S 16Bài giảng 1  ðiện áp ở mỗi pha lệch pha so với các pha khác 120 0 . Với thứ tự thuận (a-b-c), các ñiện áp cho bởi Các hệ thống 3 pha  Cách nối 3 pha: cấu hình sao (Y) và cấu hình tam giác (∆) Trong cấu hình sao, các ñầu dây a’, b’, và c’ ñược nối với nhau và ñược ký hiệu là cực trung tính n. ( ) tVv maa ω cos ' = ( ) 0 ' 120cos −= tVv mbb ω ( ) 0 ' 120cos += tVv mcc ω i a , i b , và i c là các dòng ñiện dây, cũng bằng với các dòng ñiện pha. i n là dòng ñiện trong dây trung tính. i a i n i b i c a b c n + − + − + − 17Bài giảng 1 Các hệ thống 3 pha (tt) Trong cấu hình tam giác, ñầu a’ ñược nối vào b, và b’ vào c. Vì v ac’ = v aa’ (t) + v bb’ (t) + v cc’ (t) = 0 , như có thể chứng minh bằng toán học, c’ ñược nối vào a. i a i b i c a b c c’ a’ b’ + − + − + −  Các ñại lượng dây và pha Vì cả nguồn lẫn tải ñều 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). • Với cấu hình sao-sao, ở ñiều kiện cân bằng: 0 0∠= φ VV an 0 120−∠= φ VV bn 0 120∠= φ VV cn 18Bài giảng 1 Các hệ thống 3 pha (tt) với V φ là trị hiệu dụng của ñiện áp pha-trung tính. Các ñiện áp dây cho bởi bnanab VVV −= cnbnbc VVV −= ancnca VVV −= Chẳng hạn, ñộ lớn của có thể tính như sau ab V ( ) φφ VVV ab 330cos2 0 == an V bn V cn V ab V bc V ca V Từ giản ñồ vectơ, có thể thấy 0 303 ∠= φ VV ab 0 903 −∠= φ VV bc 0 1503 ∠= φ VV ca Ở ñiều kiện cân bằng, i n = 0 (không có dòng ñiện trung tính). 19Bài giảng 1 Các hệ thống 3 pha (tt) Không làm mất tính tổng quát, giả thiết các ñiện áp dây là • Cấu hình sao-tam giác, ñiều kiện cân bằng: 0 0∠= Lab VV 0 120−∠= Lbc VV 0 120∠= Lca VV ab V bc V ca V 1 I 3 I 2 I a I Các dòng ñiện pha I 1 , I 2 , và I 3 trong 3 nhánh tải nối tam giác trễ pha so với các ñiện áp tương ứng một góc θ , và có cùng ñộ lớn I φ . Có thể thấy từ giản ñồ vectơ θ φ −−∠= 0 303II a θ φ −−∠= 0 1503II b θ φ −∠= 0 903II c  Cấu hình sao: và , cấu hình tam giác: và φ VV L 3= φ II L = φ VV L = φ II L 3= 20Bài giảng 1 Công suất trong mạch 3 pha cân bằng  Tải nối sao cân bằng Trong một hệ cân bằng, ñộ lớn của tất cả ñiện áp pha là bằng nhau, và ñộ lớn của tất cả dòng ñiện cũng vậy. Gọi chúng là V φ và I φ . Công suất mỗi pha khi ñó sẽ là ( ) θ φφφ cosIVP = Công suất tổng là ( ) ( ) θθ φφφ cos3cos33 LLT IVIVPP === Công suất phức mỗi pha là θ φφφφφ ∠== IVIVS * Và tổng công suất phức là θθ φφφ ∠=∠== LLT IVIVSS 333 Chú ý rằng θ θθ θ là góc pha giữa ñiện áp pha và dòng ñiện pha [...]... 2 .14 : V m ch tương ñương 1 pha c a 1 m ch ñã cho Thay th b t n i tam giác b i m t b t n i sao có t ng tr pha –j15/3 = -j5 Ω Sau ñó có th dùng m ch n i sao tương ñương ñ ñơn gi n hóa, và rút ra m ch tương ñương 1 pha Bài gi ng 1 22 Ví d t i l p Vd 2 .15 : 10 ñ ng cơ không ñ ng b v n hành song song, tìm ñ nh m c kVAR c a b t 3 pha ñ c i thi n h s công su t t ng thành 1? Công su t th c m i pha là 30 x 10 ... d t i l p Vd 2 .16 : Gi s trong Vd 2 .15 , PF m i là 0,9 tr , dung lư ng kVAR c n thi t là bao nhiêu? Sφ = 10 0 + j133,33 kVA PF m i là 0,9 tr , do ñó công su t ph n kháng m i pha m i là Qnew = P (1 PF ) − 1 = 10 0 (1 0,9) − 1 = 48,43 kVAR 2 2 13 3,33 kVAR + 48,43 = −84,9 kVAR, và t ng dung lư ng cũ B t do ñó c n cung c p cho m i pha 13 3,33 kVAR c n thi t s là 3(−84,9) = −254,7 kVAR m Vd 2 .17 : xem giáo trình... = 10 0 kW, PF = 0,6 tr Công su t kVA m i pha như v y s là 10 0/0,6 Do ñó, 10 0 10 3 (0,6 + j 0,8) VA = 10 0 + j133,33 kVA Sφ = Sφ ∠ cos (0,6 ) = 0,6 1 M t b t có th ñư c n i song song v i t i ñ c i thi n h s công su t t ng B t c n cung c p toàn b công su t ph n kháng ñ nâng PF thành ñơn v Nghĩa là cho m i pha Qcap = 13 3,33 kVAR, và dung lư ng kVAR c n thi t s là 3( 13 3,33) = −400 kVAR Bài gi ng 1 23... n n t ng 3 pha hay 1 pha Vd 2 .12 và 2 .13 : xem giáo trình Bài gi ng 1 21 M ch tương ñương 1 pha Bi n ñ i tam giác-sao (∆-Y) Cho m t t i n i tam giác v i t ng tr m i pha là Z∆, m ch tương ñương hình sao có t ng tr pha ZY = Z∆/3 ði u này có th ñư c ch ng minh b ng cách ñ ng nh t t ng tr gi a hai pha b t kỳ trong c hai trư ng h p Thay vì phân tích m ch hình tam giác, m ch tương ñương 1 pha có th ñư c dùng... 48,43 kVAR 2 2 13 3,33 kVAR + 48,43 = −84,9 kVAR, và t ng dung lư ng cũ B t do ñó c n cung c p cho m i pha 13 3,33 kVAR c n thi t s là 3(−84,9) = −254,7 kVAR m Vd 2 .17 : xem giáo trình i 48,43 kVAR 10 0 kW Bài gi ng 1 24 . 1Bài giảng 1 4080 01 Biến ñổi năng lượng ñiện cơ TS. Nguyễn Quang Nam HK2, 2009 – 2 010 http://www4.hcmut.edu.vn/~nqnam/lecture.php nqnam@hcmut.edu.vn 2Bài giảng 1 Giới thiệu về. Q cap = 13 3,33 kVAR, và dung lượng kVAR cần thiết sẽ là 3( 13 3,33) = − 400 kVAR. ( ) ( ) kVA j133,3 310 0VA 8,06,0 6,0 10 100 6,0cos 3 1 +=+ × =∠= − jSS φφ 2 4Bài giảng 1 Ví dụ tại lớp  Vd. 2 .16 :. tổng dung lượng kVAR cần thiết sẽ là 3(−84,9) = −254,7 kVAR. kVA j133,3 310 0 += φ S ( ) ( ) kVAR 43,4 819 , 011 0 011 22 =−=−= PFPQ new c ũ m ớ i 10 0 kW 48,43 kVAR 13 3,33 kVAR  Vd. 2 .17 : xem giáo